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1 VIRGO/LIGO François BONDU CNRS Institut de Physique de Rennes équipe photonique et lasers EGO-VIRGO, Cascina (Pise), Italie.

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1 1 VIRGO/LIGO François BONDU CNRS Institut de Physique de Rennes équipe photonique et lasers EGO-VIRGO, Cascina (Pise), Italie Avril 2009

2 2 Plan I.Ondes gravitationnelles et géométrie de lespace-temps La relativité générale : une théorie géométrique de la gravitation Sources astrophysiques dondes gravitationnelles II. Le transducteur : une cavité Fabry-Perot III. Instruments construits et en projet

3 3 La matière dit à lespace-temps comment se courber et lespace-temps dit à la matière comment se déplacer. Quand la matière est accélérée ou change de configuration, elle modifie la courbure de lespace temps. Ces changements se propagent : ce sont les ondes gravitationnelles. Ondes gravitationnelles RELATIVITE GENERALE (Einstein 1915)

4 4 O A B Dans la « jauge transverse sans trace », OG = écart dynamique à lespace-temps euclidien élément despace-temps pour une OG se propageant selon z >> sans dimension >> transverse >> 2 polarisations >> OG tensorielle RELATIVITE GENERALE Ondes Gravitationnelles

5 5 O A B A envoie un photon à B à linstant t0 B renvoie le photon immédiatement, reçu par A à t1 A compare t1-t0 avec son horloge Ondes gravitationnelles EXPERIENCE DE PENSEE tAtA tBtB

6 6 O A B (0,0,0) (L,0,0) Photon: EXPERIENCE DE PENSEE >> masses inertielles >> horloge et photons (astrophysique) Ondes gravitationnelles

7 7 EXPERIENCE DE PENSEE Détecter des ondes de gravitation : Mesurer avec une horloge locale Les variations des durées daller-retour des photons entre des masses inertielles à z = 0 et z = L avec une résolution de

8 8 sources impulsionnelles formation détoiles à neutrons ou de trous noirs fusion de systèmes binaires massifs (étoiles à neutrons, trous noirs) sources continues étoiles à neutrons en rotation rapide coalescence de systèmes binaires massifs fond gravitationnel stochastique cosmologique (époque du Big Bang) astrophysique Les effets des ondes gravitationnelles ne sont perceptibles que dans des conditions extrêmes de densité et de vitesse. Ondes gravitationnelles

9 9 Exemple de forme donde pour la phase spiralante avant coalescence détoiles binaires chirp Ondes gravitationnelles

10 10 chirp Ondes gravitationnelles Exemple de forme donde pour la phase spiralante avant coalescence détoiles binaires

11 11 Elles existent ! Le pulsar binaire Pulsar lié à un compagnon obscur situé à 7 kpc. Horloge précise et relativiste ( v/c~10 -3 ) Mesures : [J.H.Taylor et al., Nature, 1992] Le système perd de lénergie par émission dondes gravitationnelles ( : P=14 sec) Coalescence dans ~ 3x10 8 années P (s) (9) dP/dt-2.425(10)x d /dt (º/yr) (18) mpmp 1.442±0.003 M mcmc 1.386±0.003 M Ondes gravitationnelles

12 12 Plan I.Ondes gravitationnelles et géométrie de lespace-temps La relativité générale : une théorie géométrique de la gravitation Sources astrophysiques dondes gravitationnelles II. Le transducteur : une cavité Fabry-Perot à miroirs suspendus bruits miroirs suspendus interféromètre de Michelson III. Instruments construits et en projet IV. Contrôle

13 13 Pendule : z top z bottom Fonction de transfert: avec Le transducteur : une cavité optique résonnante MASSE INERTIELLE : 1/ filtrage du bruit sismique

14 14 Pendule : z bottom Fonction de transfert: avec Note: pour f>f0, F mirror ( ) ~M 2 z mirror ( ) masse inertielle, en chute libre Le transducteur : une cavité optique résonnante MASSE INERTIELLE : 2/ inertie F bottom

15 15 Fonction de transfert : avec f > 10 Hz F0 F3 F4 F5 F6 F7 Marionnette COORDONNEES Le transducteur : une cavité optique résonnante

16 16 Mirror 2 Le transducteur : une cavité optique résonnante Laser Porteuse résonnante dans la cavité (modèle spectral scalaire) Bandes latérales non résonnantes C USBLSB Mirror 1 E.O. modulator ~ RF synthesizer HorlogeTemps vol photon C USBLSB HORLOGE ET PHOTONS

17 17 Le transducteur : une cavité optique résonnante HORLOGE ET PHOTONS Fonctions de transfert dune cavité : - bruit de fréquence : - bruit de longueur : - bruit donde gravitationnelle :

18 /s m = 288 THz FWHM = 1 kHz METROLOGIE DU TEMPS photons résonateur Densité spectrale de résolution : f amplitude réponse Le transducteur : une cavité optique résonnante

19 19 Un bruit de fréquence du laser est équivalent à une onde gravitationnelle : > Hz Résolution souhaitée : h ~ / 200 Hz Bruit de fréquence typique (Nd:YAG): Il manque un facteur ! BRUIT DE FREQUENCE ~ Le transducteur : une cavité optique résonnante

20 20 Il manque un facteur ! Configuration Michelson : facteur ~100 Stabilisation de la fréquence : facteur > 10 8 laser Bruit de fréquence additionné O.G. non significative O.G. sadditionnent Bruit de fréquence partiellement annulé Le transducteur : deux cavités optiques résonnantes BRUIT DE FREQUENCE

21 21 10 W Slave laser Master laser Interféromètre de Michelson Détection 500 W 8000 W

22 22 Densité spectrale de la résolution de Virgo (Conception) Bruits

23 23 Plan I.Ondes gravitationnelles et géométrie de lespace-temps II. Le transducteur : une cavité Fabry-Perot à miroirs suspendus bruits interféromètre de Michelson III. Instruments construits et en projet v1. Virgo et LIGO v2. Advanced LIGO et Advanced VIRGO v3. Einstein Telescope

24 24 TAMA 300 m 4 & 2 km 4 km 3 km 600 m GEO AIGO Instruments

25 W 10 W 1 – C = – C = Slave laser Master laser 1 W Instruments Laser injecté : Puissance ET stabilité Cavité de filtrage de mode : Filtrage des fluctuations de pointé 144 m 3000 m Cavité de filtrage de mode en sortie : Filtrage des photons parasites

26 26 Instruments

27 27 Instruments Lobe dantenne dun interféromètre de Michelson de 3 km

28 28 Instruments : perspectives Advanced LIGO/Virgo 2 ème génération ~2020 NS-NS: ~200 Mpc

29 M NS+NS binaires ; jusquà 300 MpcTaux dévénements : (~2/an) 3/jour 1.4 MNS+10 MBH, détectables jusquà 650 Mpctaux de 1/an à 4/jour Interféromètres avancés - observatoires Adv. LIGO 2 e génération (<2020) f

30 30 Interféromètres avancés - observatoires Advanced Virgo 2 e génération (<2020)

31 31 Interféromètres avancés - observatoires Adv. LIGO 2 e génération (<2020)

32 32 Interféromètres avancés - observatoires Adv. Virgo Signal Recycling (SR) Non degenerate rec. cavities 200W laser Higher finesse 3km FP cavities Heavier mirrors Waist in the cavity center Larger central links Cryotraps Monolithic suspensions Q cav =

33 33 Interféromètres avancés - observatoires Ajustabilité de la courbe de densité spectral de résolution, par ajustement du désaccord de la cavité de recyclage de signal optimisation du détecteur pour différentes sources (BNS, BBH, pulsars milliseconde, supernovae)

34 34 Interféromètres avancés - observatoires Analyse en réseau Réseau LIGO Virgo Ad. LIGO, P det = 90% 230 Mpc Ad. LIGO-Virgo 270 Mpc

35 35 Interféromètres avancés génération 3 (2030 ?) « Einstein telescope » Configuration optique –Miroirs cryogéniques ? Laser de puissance –Etats comprimés de lumière ? Suspensions –Tubes à vides souterrains (réduction des ondes sismiques de surface) ?

36 36 The end.


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