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A la Recherche des Ondes Gravitationnelles Cavalier Fabien Les ondes gravitationnelles Quelles Sources ? La détection interférométrique Les premiers résultats.

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Présentation au sujet: "A la Recherche des Ondes Gravitationnelles Cavalier Fabien Les ondes gravitationnelles Quelles Sources ? La détection interférométrique Les premiers résultats."— Transcription de la présentation:

1 A la Recherche des Ondes Gravitationnelles Cavalier Fabien Les ondes gravitationnelles Quelles Sources ? La détection interférométrique Les premiers résultats LISA

2 Les Ondes Gravitationnelles Astronomie : Ondes Radio Infrarouge Visible Ultraviolet Rayons X Rayons } Ondes électromagnétiques émises par des charges électriques en mouvement ou des réactions nucléaires Les Ondes Gravitationnelles sont émises par des masses en mouvement

3 Relativité Générale d'Einstein « La matière indique à l'espace-temps comment se courber, l'espace-temps indique à la matière comment se déplacer » J.A. Wheeler Un objet massif courbe lespace-temps Un objet se déplace dans l'espace-temps courbé par les autres objets

4 Les ondes gravitationnelles sont prédites par la Relativité Générale dEinstein Ce sont des perturbations de l espace-temps (analogues aux vagues de la mer) Elles voyagent à la vitesse de la lumière Elles peuvent traverser des millions dannées-lumière sans être absorbées par la matière

5 L L + L La déformation relative L/L est égale à leur amplitude h Temps Effet du passage dune onde gravitationnelle

6 Une expérience de Hertz ? sourcedistancehP (W) Barre dacier, 500 T, = 2 m L = 20 m, 5 tours/s 1 m2 x Bombe H 1 mégatonne Asymétrie 10% 10 km2 x Formule du Quadrupole : G/5c 5 ~ W -1 Moment Quadrupolaire : quantifie lécart à la symétrie sphérique

7 G/c 5 very small, c 5 /G will be better © J. Weber (1974) asymétrie de la source R s rayon de Schwarzschild de la source R rayon de la source v vitesse typique de la source Taille du trou noir qui aurait la masse de la source Seuls les phénomènes astrophysiques cataclysmiques peuvent émettre des ondes gravitationnelles détectables sourcedistancehP (W) Supernova 10 M asymétrie 3%10 Mpc Coalescence de 2 trous noirs de 1 M 10 Mpc pc = 3,26 année-lumière

8 Les Supernovae gravitationnelles Étoile massive en fin de vie Cœur de fer qui ne peut plus compenser son poids Effondrement rapide pour former une étoile à neutron

9 Coalescence détoiles à neutrons Coalescence de trous noirs et désexcitation dun trou noir Pulsars

10 Lexistence des ondes gravitationnelles a été prouvée indirectement Pulsar : système binaire détoiles à neutrons en orbite lune autour de lautre Diminution de la période orbitale (Séparation ~10 6 km, Diminution de 3mm/orbite(8h)) Diminution en accord avec la prédiction de la Relativité Générale (perte dénergie par émission dondes gravitationnelles) Taylor & Hulse, Prix Nobel 1993

11 Les sources dOndes Gravitationnelles LIGO, Virgo

12 Comment Les Détecter ? Il faut mesurer des longueurs avec une précision relative de Terre Soleil une distance de l ordre de 150 millions de kilomètres mesurée à un atome près

13 La détection : Rappel Historique 1960 Premier détecteur(Weber) 1963 Idée dun détecteur ITF(Gersenshtein&Pustovoit, Weber) 1969 Première fausse alarme (Weber) 197X Age dor des détecteurs type Weber 1972 Faisabilité de lITF (Weiss) et premier prototype (Forward) 1974 PSR (Hulse&Taylor) Fin 70s Barres à 4K, prototypes ITF(Glasgow, Garching, Caltech) 1980 Premières activités in France 1989 proposal VIRGO, proposal LIGO (USA) Fin 2005 LIGO à sa sensibilité nominale 2007 VIRGO quasiment à sa sensibilité nominale Enhanced LIGO et Virgo Advanced LIGO et Advanced Virgo

14 Laser Miroir Semi-réfléchissant Détecteur de lumière LInterféromètre de Michelson Chemin 1 Chemin 2 La détection interférométrique

15 Le détecteur de lumière voit la somme des deux faisceaux Faisceau Chemin 1 Faisceau Chemin 2 Total : interférence constructive Temps 1,064 m

16 Faisceau Chemin 1 Faisceau Chemin 2 Total : interférence destructive appelée frange noire Létat d interférence dépend de la différence de longueur entre les deux chemins Temps

17 Réglons linterféromètre sur une frange noire Une onde gravitationnelle va changer la longueur des chemins Le détecteur va recevoir de la lumière La quantité de lumière est proportionnelle à lamplitude h

18 Laser Miroir de fond M 22 Miroir de fond M 12 Lame Séparatrice M bs Expérience de table : h Min Détecteur de lumière Miroir de Recyclage M rc Miroir dentrée M 11 Miroir dentrée M 21 Fabry-Perot 2 Fabry-Perot 1 Virgo : h Min La détection interférométrique en pratique

19 Les interféromètres dans le monde GEO TAMA AIGO VIRGO LIGO 3 ITF kilométriques: VIRGO (3 km) LIGO (2 antennes 4 km + 1 antenne 2 km)

20 VIRGO

21 Sisoler des vibrations du sol Mettre tout l interféromètre ( 7000 m 3 ) sous vide (P = mbar) Avoir un laser dont la fréquence et la puissance sont stables 24 heures sur 24 Avoir des miroirs dont la qualité est à la limite des techniques actuelles Contrôler en permanence ( typiquement toutes les 100 secondes) que linterféromètre est à son point de fonctionnement nominal Les Difficultés Techniques

22 Le Super-Atténuateur

23

24

25

26 Les Performances amplitude du mouvement des miroirs de lordre du micron vitesse de quelques microns par seconde Le Super-Atténuateur

27 Le Vide Le Tube Les Tours Les Vannes

28 Les miroirs Réflectivités définies à mieux que 0,01 % Réflectivités miroirs dextrémité > Pertes (absorption, diffusion) de lordre de quelques ppm Rayon de courbure élevé (3400 m) et défini à 3 % près Surface définie à /40 sur 30 cm de diamètre Solution : miroirs en silice (SiO 2 ) = 35 cm et h = 10 ou 20 cm

29 La Sensibilité nominale de Virgo Si tous les bruits technologiques sont contrôlés

30 La mise au point du détecteur

31 Le réseau mondial de détecteurs

32 La prochaine génération : Advanced Virgo Gagner un facteur 10 sur toute la gamme de fréquence Gain de facteur 1000 sur le volume dunivers observé

33 La détection dans lespace LISA Pathfinder – décollage prévu en 2011 : tests des certaines technologies de LISA Lancement de LISA pas encore fixé

34 Lorbite de LISA

35 La configuration optique

36 Conclusion Les Ondes Gravitationnelles existent Elles seront détectées directement au 21 eme siècle Elles dévoileront de nouveaux phénomènes astrophysiques La première génération dinterféromètres a atteint la sensibilité prévue Pas de première détection mais les premières limites astrophysiquement intéressantes sont en train de sortir Prochaine génération en cours de construction : première détection assurée ?!


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