LISA : Une antenne gravitationnelle dans l’espace Jean-Yves Vinet CNRS-OCA / ARTEMIS Nice

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien2 1)D’où sortent les ondes de gravitation ? -De quelle théorie -De quelles sources 2)Que nous font les ondes de gravitation ? -Physiquement -Scientifiquement 3)Comment les détecter au sol ? - Les antennes du type Virgo 4) Comment les détecter dans l’espace ? - LISA Sommaire

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien3 Théorie Relativiste de la Gravitation: « Relativité Générale » Géométrie De l’Espace-Temps Contenu Matière-énergie gravitation Poisson Maxwell Deux aspects

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien4 equation d’Einstein Linéarisation Équation d’onde Onde 4-tensorielle equations de Maxwell Équation d’onde Onde 4-vectorielle célérité : c 2 états de polarisation transverse Ondes gravitationnelles Ondes é-m.

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien5 L  L  L/L=h(t)/2 Perturbation des distances-lumière Masse de référence Masses d’épreuve en chute libre Amplitude de l’OG Plan transverse Effet d’une OG

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien6 2) Modulation des chemins optiques a b Effets physiques 1) Contraintes dans les solides Forces de marée

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien7 Sources d’OG-1 Quadrupole de masse rapidement variable Supernovae ? SN 1987 Degré d’asymétrie Mal connu GW

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien8 Perte d’Energie potentielle par radiation 0.03 Exemple: NGC6240 Binaires de trous noirs Spirale et coalescence Binaires d’étoiles neutroniques 0.5 AM CVn T=17 mn Sources d’OG-2

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien9

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien10 « Chirp » produit par la coalescence de 2 trous noirs de 10 masses solaires Phase spirale coalescence Désexcitation Du trou noir Unique résultant Signal gravitationnel typique de la coalescence

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien Solar masses Sm n4697c NGC4438 NGC Sm Trous noirs supermassifs

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien12 Amplitude typique pour une coalescence de deux trous noir ~ Masses solaires

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien13 Hautes fréquences ( > 10 Hz) Basses fréquences (< 1 Hz) Binaires d’étoiles neutroniques, de trous noirs de classe stellaire Binaires de TN supermassifs Captures par des TN supermassifs Binaires stellaires galactiques avant coalescence Antennes terrestres Antennes spatiales LIGO (USA) Virgo (France+Italie) + GEO600 (D) TAMA (J) LISA (ESA + NASA)

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien14 Virgo 3 km Pise

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien15 VIRGO

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien16 Histoire de la sensibilité de Virgo (à suivre)

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien17 LIGO (USA) LIGO: Hanford LIGO: Livingstone (bras : 4km)

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien18 LISA Allemagne: Hannovre Garching Potsdam UK: Glasgow Cardiff Birmingham RAL Italie: Trente Espagne: Barcelone USA: JPL-CalTech Goddard SFC Stanford Montana PennState U France: APC (Paris) ARTEMIS (Nice) LAPP (Annecy) IAP Obs. de Paris-Meudon ONERA LPSC (Grenoble)

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien19 Laser Interferometer Space Antenna

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien20 Objectifs de LISA Astrophysique : - Dynamique des trous noirs supermassifs (TNSM) au centre des galaxies - Capture d’objets compacts par des TNSM - Etude des binaires galactiques compactes Théorie de la Gravitation: - Tests de la relativité générale (RG) en champ fort - Propriétés du rayonnement gravitationnel

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien21 VIRGO Complémentarité Sol/Espace

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien22 Coalescence de binaires de trous noirs supermassifs Durée caractéristique de la phase de coalescence ~ 8 mn pour 10 6 Masses Sol. Détection du système binaire entrant en coalescence : ~ 1 an avant ~ 13 h pour 10 8 Masses Sol. Chandra : NGC6240 VLBA : X radio

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien23 Capture d’objets par des trous noirs

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien24 Configuration orbitale de la constellation LISA

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien25 Orbites faiblement inclinées, Faiblement elliptiques Orbite de référence Circulaire R = 1 UA

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien26 Triangle ~ rigide au cours de l’année

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien27 Compensation de traînée Masse de référence en chute libre Lecture capacitive de la position de l’enveloppe microtuyères Ions d’Indium/Césium Ou substance colloidale ? Accélérométrie à g Hz -1/2

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien28 Modèle ONERA

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien29 Prototype ONERA

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien30 Détail d’une station LISA

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien31

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien32 -Compensation de traînée -Accéléromètres capacitifs -microtuyères -Fonctionnement du banc optique Point de Lagrange L1 (1.5 Mkm) Kourou fin 2009 Lanceur VEGA LISA Pathfinder : démonstrateur technologique

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien Principe de LISA Décalage Doppler proportionnel à h sur le trajet de 5 Mkm 2 lasers identiques

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien34 A B Signature de l’OG sur chaque lien optique par le shift Doppler induit: battement avec le laser local  6 flux de données Si un seul lien existe : !! La redondance des 6 liens permet de ramener la contrainte À un niveau compatible avec la métrologie actuelle Masse de référence OG

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien35 Structure du flux de données : comparaisons de fréquences U1U1 V1V1 C 1 (t ) C 2 (t ) C 3 (t ) C(t) =  (t)

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien36 Prétraitement TDI Annuler les bruits de fréquence des lasers Combinaisons des données avec des retards bien choisis  « Time Delay Interferometry » = Interférométrie Numérique Exemple : D’autres combinaisons sont possibles : 4 permettent de les engendrer toutes Nécessité de connaître avec précision les longueurs L i à ~ 300 m près (sur 5 Mkm)

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien37 Réponse à une onde gravitationnelle A B

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien38 LISA en France Structure LISA-France (Responsable : Pierre Binétruy) APC (Université Paris 7) ARTEMIS (Observatoire de la Côte d’Azur) IAP (Paris) Observatoire de Paris-Meudon (SYRTE / LUTh) LAPP (Annecy) ONERA Accélérométrie LPL (Villetaneuse) Lasers L.Phys.Sub & Cosm (Grenoble) - Soutien financier du CNES (missions) - Réunions annuelles (Nice, Meudon, Annecy, Paris) LISA Pathfinder : techno Simulateur Théorie de l’instrument Simulateur Lasers stables Sources binaires Relativité numérique Lasers stables

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien39 Simulateur LISACode (APC / ARTEMIS)

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien40 Structure de LISACode A. Petiteau / APC

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien41 Effet de l’imprécision sur les temps de propagation sur la Sensibilité 0, 0.5 et 1 µs Réduction de La longueur des bras: 5Mkm  2Mkm

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien42 Perspectives pour LISA - 1 : les éloges Octobre 07 : rapport du « Beyond Einstein Program Assessment Committee » = « BEPAC » (NSF) LISA : « Flagship » (navire amiral) des expériences de physique fondamentale du programme BEP - continuer la R&D pour être prêts à temps - LISA Pathfinder sera crucial pour la suite NASA Octobre 07 : rapport du « Fundamental Physics Advisory Committee » = « FPAG » (ESA) The FPAG therefore recommends that ESA must take every possible measure to protect the scientific goals of the LISA mission and to proceed toward the goal of a mission implementation in the framework of the “L1” launch slot in the Cosmic Vision Plan. ESA

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien43 Perspectives pour LISA - 2 : le financement Coût du programme : estimé à 2.8 G$ par le BEPAC estimé à 1.5 G$ par les équipes LISA Recommandations de diminution du coût (ESA et NASA) - par diminution de la taille de la mission (ex : 5 Mkm  2 Mkm) - par diminution de sa durée (tests de fiabilité) En résumé, l’adoption future de la mission dépendra (1) du succès de la validation en orbite de LISA Pathfinder, (2) de la maturité des autres technologies nécessaires pour LISA, (3) de la confirmation de la participation de la NASA et du niveau de cette participation et (4) de la compatibilité du coût à achèvement de LISA avec le niveau des ressources du programme scientifique de l’ESA (650M€).

07 Décembre 07Strasbourg/Hubert Curien44 Exploitation de la mission 2 centres de traitement des données : USA et Europe 1)Prétraitement par TDI 2)Algorithmes spécialisés 3)Mise à disposition du public avec délai Algorithmes spécialisés : - événements intéressants : grand rapport S/B - nombreuses sources simultanées  LISA Mock Data Challenge USA: Montana JPL PennState Goddard UK: Birmingham Cardiff Allemagne: Potsdam Hannovre Iena Heidelberg France: APC+ARTEMIS