VIRGO

Vers des observatoires d’ondes gravitationnelles

Groupe du LAL:M-A Bizouard, V Brisson, F Cavalier, A-C Clapson, M Davier, P Hello,S Kreckelberg, N Leroy, M Varvella-Arnaud

• Prédites par la Relativité Générale d’Einstein.• Perturbations de l’espace-temps voyageant à la vitesse de la lumière.• Provoquées par des déplacements de masse.• Interaction très faible avec la matière.

L L + L

La déformation relative L/L est égale à leur amplitude h

Temps

Prédictions: h 10-21 pour une source astrophysique à 10 Mpc.

Physique: ondes gravitationnelles

L’existence des ondes gravitationnelles a été prouvée:Mesure de la perte d’énergie par émission d’ondes gravitationnelles.

• Pulsar binaire 1913+16: Système binaire d’étoiles à neutrons

• Précession des orbites

Diminution de la période orbitale

• Mesures en accord avec la prédiction de la Relativité Générale

• Taylor & Hulse, Prix Nobel 1993

Physique: ondes gravitationnelles

Diminution de période orbitale

Erreur < 3%0

Laser

Détecteur

• Réglage de l’interféromètre sur une frange noire: pas de lumière au détecteur.

• Une onde gravitationnelle change la longueur des chemins…

• Le détecteur reçoit une quantité de lumière proportionnelle à l’amplitude h.

)cos( 1 2

det

CPP in

• Mesure de h: variation d’une distance au cours du temps.

• Instrument de choix: interféromètre (expérience de Michelson et Morley)

• Principe: deux chemins optiques réglés pour l’interférence de l’onde,

une faible variation relative des longueurs modifie l’interférence.

Détection: principe

Laser

Miroir de fond M22

Miroir de fond M12

Lame Séparatrice Mbs

Expérience de table : hMin 10-17 Hz-1/2

Photo-détecteur

Miroir de Recyclage Mrc

Miroir d’entrée M11

Miroir d’entrée M21

Fabry-Perot 2

Fabry-Perot 1

Virgo : hMin 10-23 Hz-1/2

Détection: principe

Facteur limitant: bruit de photon.

Détection: que mesure-t-on?

Ordre de grandeur de h:mieux que 10-21 soit la taille d’un atome pour 150 Mkm.

Inaccessible en précision, mais pas en sensibilité.

Autocorrélation du processus x(t) :

2/

2/

)()( 1 ) ( lim T

Tx txtxdt

TTA

Densité spectrale de puissance : Sx( f ) = TF de Ax(t)

Si x(t) est un bruit, sa DSP donne la contributionde chaque fréquence au bruit total.

0

2 ) ( dffS x

Précision :

La sensibilité de la mesure pour un signal donnédétermine le rapport signal sur bruit :

df

fS

ftfh

h

)(

*)( )(

~~

2 h : mesuret : signal recherché

• S’isoler des variations de longueurs parasites (vibrations du sol)

• Mettre tout l’interféromètre sous vide poussé (fluctuations d’indice)

• Avoir un laser de fréquence et puissance stable (jours)

• Miroirs semi-transparents sans défauts (surface et masse)

• Maintenir (activement) l’interféromètre au

« point de fonctionnement »:

position relative des miroirs contrôlée à 10-10 mètre (statistique).

Détection: difficultés de mise en oeuvre

• LAL Orsay• LAPP Annecy• Observatoire de Nice• IPN Lyon• ESPCI Paris

• INFN Pise• INFN Florence• INFN Naples• INFN Pérouse• INFN Frascati• Univ. Rome• Collaboration franco-italienne lancée en 1989.

• Jusqu’à 50 physiciens et 150 ingénieurs.• Instrument installé près de Pise.• Interféromètre de 3 km ( 7000 m3 sous vide)• Construction terminée fin 2003.

VIRGO

VIRGO

VIRGO: suspension des miroirs

Performances des suspensions:

• mouvement des miroirs de l’ordre du micron• vitesse de quelques microns par seconde

Contrepartie: Bruit thermique

Chaque fil de suspension (ou miroir) est un oscillateur excité par l’agitation thermique.

• Caractérisation: 0 et Q facteur de qualité• Mesures de Q :

• silice : 106

• fils d’acier : 104 – 105

• pendule : 107

• Facteur limitant entre 3 et 500 Hz• Miroir de 30 kg (bruit quand M )• Recherche:

• Nouveaux matériaux (saphir)• Suspensions monolithiques

Bruit dephoton

VIRGO: courbe de sensibilité

Bruit sismique

Bruit thermique

Résonances

VIRGO: courbe de sensibilité

VIRGO: Etat des lieux

• VIRGO fonctionne (presque)– Configuration optique contrôlée (11 / 2004).– Robustesse des contrôles à améliorer.– Bruits instrumentaux à réduire.

• R&D– Cryogénie.– Nouveaux matériaux.– Configurations optiques (recyclage du signal, tout réflectif)

• Analyse– Méthodes testées en bruit stationnaire.– Transition vers les données réelles en cours.– Nouvelles méthodes.– Préparation de l’analyse en réseau.

Physique: signaux attendus

Coalescence binaire

Plus les objets compacts isolés, dont les trous noirs…

Distance de détection SN Fréquence d’occurrence SN

Détection: efforts (inter)nationaux

Spécificité des instruments:• Diagrammes d’antenne. • Orientation.• Sources de bruit locales.

Couverture du ciel:Analyse cohérente.

Détection non confirmée difficile à exploiter.

Possibilités de corrélation:• Observatoires astronomiques?• Détecteurs de particules?• Autres détecteurs d’ondes gravitationnelles.

Conclusion

• Plusieurs instruments en fonctionnement.• Pas encore de détection.

• Virgo bientôt opérationnel.• Champ de détection Galaxie-Amas de la Vierge.

• Ondes gravitationnelles attendues de plusieurs types d’objets astrophysiques.

• Limitations: distance et taux des événements.