La mission eLISA/NGO Phase 0 eLISA/NGO DPC Pierre Binétruy, APC, Paris Phase 0 eLISA/NGO DPC Conclusion, CNES, 23 janvier 2014

au déplacement rapide de matière (comme dans des explosions) onde gravitationnelle: propagation d’une déformation de l’espace-temps, due au déplacement rapide de matière (comme dans des explosions) Couplent très faiblement à la matière donc difficiles à détecter mais non perturbées par la matière rencontrée Se propagent à la vitesse c de la lumière

explosion de supernova dans l’amas de Virgo (15Mpc): h=10-21 à 10-24 Amplitude des ondes gravitationnelles: Variation de longueur due à l’onde gravitationelle L h = L Longueur totale L L Exemples: explosion de supernova dans l’amas de Virgo (15Mpc): h=10-21 à 10-24 système binaire de deux trous noirs (M=1,4M) à 10 Mpc: h=10-22 à 10-23

Utiliser l’interférometrie Comment mesurer des variations relatives de distance de l’ordre de 10-21 à 10-24 ? Utiliser l’interférometrie Michelson-Morley (1887) Sensibilité ΔL = 6. 10-10 m Albert Michelson comptant des franges d’interférence

Quelle taille pour les détecteurs Quelle taille pour les détecteurs? Taille ~ longueur d’onde de l’onde gravitationnelle ~ c/f Fréquence f de l’onde gravitationnelle ~ √M/R3 (loi de Kepler pour les systèmes binaires) Etoiles à neutrons (M ~ 1,4M☉) : f ~ 100 Hz  taille ~ 3000 km Interferomètres terrestres Trous noirs supermassifs (M ~ 106 M☉) : f ~ 10-4 à 10-2 Hz  taille ~ 30 million km eLISA

Le spectre de fréquence des ondes gravitationnelles 1 Mkm

Principe de détection des ondes gravitationnelles dans l’espace (LISA) Mesure interférométrique des variations relatives de distance dues au passage d’ondes gravitationnelles 5 Mkm géodésique géodésique Identifier des variations relatives de distance entre les deux masses

Principe de détection des ondes gravitationnelles dans l’espace (LISA) satellite protège la masse test ⏎ ⏎ ⏎ ⏎ ⏎ ⏎ ⏎ 5 Mkm ⏎ ⏎ géodésique géodésique Identifier des variations relatives de distance entre les deux masses Note: concept remonte aux années 1990; récente étude de la NASA selon laquelle ceci reste le seul concept réaliste dans un futur envisageable (deux prochaines décennies)

Principe de détection des ondes gravitationnelles dans l’espace (LISA) ⏎ ⏎ ⏎ ⏎ ⏎ ⏎ ⏎ 5 Mkm ⏎ ⏎ géodésique géodésique ⏎ ⏎ ⏎ 30 cm ⏎ LISAPathfinder

Mission technologique LISAPathfinder: lancement mi-2015

Coût estimé par ESA: CaC ~ 1.2 B€ Mission (européenne) eLISA/NGO Interféromètre de Michelson

Satellite (mère ou fille) Peut accommoder tous types de micropropulseurs (gaz froids, FEEPs, MiniRITs): mère fille

La science d’eLISA

Les sources binaires ultra-compactes (identiques au pulsar de Hulse-Taylor) Incluent les «binaires de vérification» cad des sources garanties d’ondes gravitationnelles Binaires de vérification autres binaires

Trous noirs supermassifs On a constaté l’existence de trous noirs supermassifs au centre des galaxies radio infrarouge infrared Notre propre Voie Lactée: Sagittarius A* a 3 million M☉

Exemples de collisions de galaxies observés à différents temps :

A. Petiteau

Test de la gravité en régime fort Plongeon Fusion Ringdown RG: approximation postNewtonienne Théorie de perturbation RG: relativité numerique LGW = 1023 L

Astronomie des trous noirs supermassifs dans les années 2020 Distance (en décalage spectral) ET (proposed) eLISA Futurs Obs.EM LSST, JWST, EELT, Rayons X Redshift Z  SNR SKA, Pulsar Timing aLIGO, aVIRGO, KAGRA Mass [log M/M☉]

EMRI (Extreme Mass Ratio Inspiral) Ondes gravitationnelles produites par des objets massifs (étoiles ou trous noirs de masse 10 to 100 M) tombant dans l’horizon d’un trou noir supermassif. Permet d’identifier de façon unique la géométrie de l’espace-temps proche du trou noir

matière Horizon lumière Les trous noirs sont des singularités (densité infinie) protégées par un horizon matière Horizon Trou noir lumière

L’objet « léger » cycle quelques 105 fois autour du trou noir avant plonger dans l’horizon du trou noir supermassif Permet d’arpenter l’espace-temps proche du trou noir.

Fonds cosmologiques BIG BANG eLISA recherchera les phénomènes violents (tels que transitions de phase) qui se passent pen- dant les époques très primordiales de l’Univers, quand l’énergie en jeu était de 0.1 to 1000 TeV. Complémentaire au LHC

Analyse des données Défi: signaux en provenance de tout l’Univers avec un grand rapport signal/bruit Comment les séparer? (≠ interférometres terrestres)

progrès important ces dernières années dans les méthodes d’analyse grâce au Mock LISA Data Challenge 4 trous noirs supermassifs 5 EMRI 26.1 million binaires galactiques bruit instrumental

Le consortium eLISA ? Data Centre SE lead

Website eLISA https://www.elisascience.org/

Traitement des données: la vue de l’ESA en 2012 consortium

L2 L3 Statut de la mission eLISA M: 0.5 B€, L: 1.5 B€ « Cosmic Vision » 2015-2035 L2 L3 M7 M6 C:2022,L:2035 C:2020,L:2032 C:2014,L:2028 C:2020,L:2034 M5 M4 S1,… M d’Op C:2018,L:2030 C:2014,L:2026 M2 EUCLID M3 L:2020 L:2024 L1 JUICE BEPI COLOMBO M1 Solar Orbiter JWST L:2022

Appel à thèmes scientifiques de L2/L3 ESA a réuni un Senior Survey Committee* pour identifier les thèmes scientifiques des missions L2 et L3 L2 lancement estimé en 2028 L3 lancement estimé en 2034 Le mandat était d’identifier un thème pour L2 et un thème pour L3 32 « white papers » reçus *Catherine Cesarsky (présidente) W. Benz (CH, président SSAC), S. Bertolucci (I, CERN), G. Bignami (I, INAF), T. Encrenaz (F, Observatoire), R. Genzel (G, MPE), J. Spyromillo (ESO), J. Zarnecki (UK, Londres)

White paper : soutenu par plus de 1200 scientifiques

Document de l’ESA HQ au SPC (28-29 novembre)

L3

Réunion du consortium board (8 janvier 2014) Discussion d’un plan d’action pour les prochaines années Revue de la situation internationale (en présence de nos collègues US) Discussion sur la phase 0 DPC: intérêt marqué pour la mise en place précoce d’une « reference platform » en liaison avec les MLDC et les données des interféromètres au sol.

Roadmap for eLISA eLISA Science Theme selected as L3 in 2013 Technology Roadmap work 2013 – 2015 Possibly continued Mission Concept Study 2014 – 2015 Successful LISA Pathfinder flight in 2015 Assessment of technology status Possibly additional work, e.g. breadboarding of Payload + (1 to 4) years Selection of Mission Concept in 2015 + (1 to 4) Possibly Start EQM of complete Payload 2015 + (2 to 5) Start of Industrial Definition Study 2015 + (2 to 5) Start of Industrial Implementation 2015 + (6 to 9) Launch in 2015 + (15 to 18)

ESA Mise en place dans les mois qui viennent d’une Science Team d’une dizaine de membres (incluant probablement une participation US) qui, en particulier, passera en revue les technologies envisageables pour la mission L3 et les développements techniques nécessaires.

Conclusions La confirmation du thème « L’Univers gravitationnel » est aussi une confirmation de la mission eLISA (seul concept réalisable dans un avenir raisonnable). Prochaines étapes clefs: lancement de LISAPathfinder en 2015, qui déterminera la suite du calendrier découverte des ondes gravitationnelles par les détecteurs terrestres probablement avant 2020 Une très large communauté derrière la mission eLISA qui ouvrira une toute nouvelle fenêtre sur l’Univers. La France a une position stratégique avec le centre de traitement des données et l’intégration. Elle doit garder une longueur d’avance dans ces domaines pour préserver cette position.

LISA-France, l’APC et le Centre François Arago

Les laboratoires de LISA-France: APC, Paris ARTEMIS, Observatoire de la Cote d’Azur Institut de Physique Théorique, CEA, Saclay IAP, Paris LAPP, Annecy-le-Vieux LPCEE, Orléans LUTh, Observatoire de Paris

APC en quelques chiffres: Quatre tutelles: 18 44 25 26 30 9 2 Total: 136 (81 permanents + 30 Ph.D. + 25 postdocs) ingénieurs, techniciens et personnel administratif Total: 62 (44 permanents + 18 non permanents)

Les grands projets de l’IN2P3 Le spatial Préparant le futur HESS CTA LSST Planck Euclid LAGUNA TARANIS Télescope Compton X-Shooter BOSS DarkSide Antares Km3Net Double Chooz LISA LISApathfinder INTEGRAL QUBIC SVOM JEM-EUSO/ballon Virgo R&D millim. Borexino Programme scientifique de l’APC

François Arago Centre (FACe) Centre de traitement des données multi-missions IN2P3/action structurante Paris Diderot

ANNEXE A 22/01/07 ORGANIGRAMME FRANCOIS ARAGO CENTRE PIERRE BINÉTRUY MULTIMEDIA Web Conférence(Cosmovia) M.Khlopov CDD CR CNRS Concurrent Design Facilities H.Halloin Enseignant Chercheur -Paris 7 DIRECTEUR PIERRE BINÉTRUY RESPONSABLE SCIENTIFIQUE V. BECKMANN IR1 -CNRS RESPONSABLE TECHNIQUE M. DETOURNAY IR – CNRS ADJOINT RESPONSABLE TECHNIQUE S. DONG IE – P7 GESTION L.DAVILA TCN - CNRS LISA PATHFINDER E. PLAGNOL DR-CNRS INTEGRAL F. LEBRUN ICEA LISA E. PORTER CR- CNRS EUCLID / LSST E. AUBOURG ICEA PLANCK Y. GIRAUD HERAUD DR-CNRS ASR Serveurs postes de travail S. DONG IE – P7 SUPPORT multimedia N……. IE SUPPORT Logiciels N……… AI ALGORITHMIE Admin.Cluster M. LE JEUNE IR - CNRS SECRETARIAT GUET T – P7 L.FERRAIOLI. CDD – IR - CNES N……. CDD - CNES K. KRETSCHMER CDD – CNES V. Savchenkow. CDD - CNES A. PETITEAU MC UP7 V.BECKMANN CDD DR CNRS G. Pfeiffer CDD - CNES M. LE JEUNE IR CNRS S. ZAPPINO AI- CDD CNRS ASR Clusters S.Dong IE-P7 M.Detournay IR-CNRS DATA access/web P.YU IE - CNRS CLOUD C. CAVET CDD IR - LABEX Grille J.M. Colley IR-CNRS F. DODU IGR P7 N.......... IR – 2013 13/09/12

connection privilégiée au Centre de Calcul de l’IN2P3 traitement des données INTEGRAL centre de données externes pour LISAPathfinder (2015-2016) centre de données pour mission eLISA plate-forme de développement de codes pour toute la collaboration Euclid rôle en discussion pour LSST traitement des données hors sursaut pour SVOM (en discussion) centre de mission pour le sismomètre SEIS d’INSIGHT