VIRGO Une Nouvelle Fenêtre Sur L’Univers Comment les détecter ? Les ondes gravitationnelles Comment les détecter ? Le défi technologique de VIRGO Cavalier Fabien Lycée Romain Rolland, Ivry 16 Novembre 2012

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

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 l’espace-temps Un objet se déplace dans l'espace-temps courbé par les autres objets

Les ondes gravitationnelles sont prédites par la Relativité Générale d’Einstein 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 d’années-lumière sans être absorbées par la matière

Effet du passage d’une onde gravitationnelle L + DL Temps La déformation relative DL/L est égale à leur amplitude h

Une expérience de Hertz ? source distance h P (W) Barre d’acier, 500 T,  = 2 m L = 20 m, 5 tours/s 1 m 2x10-34 10-29 Bombe H 1 mégatonne Asymétrie 10% 10 km 2x10-39 10-11 Formule du Quadrupole : G/5c5 ~10-53 W-1 Moment Quadrupolaire : quantifie l’écart à la symétrie sphérique

 Seuls les phénomènes astrophysiques cataclysmiques “G/c5 very small, c5/G will be better” © J. Weber (1974) e asymétrie de la source Rs 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 source distance h P (W) Supernova 10 M asymétrie 3% 10 Mpc 10-21 1044 Coalescence de 2 trous noirs de 1 M 10-20 1050 1pc = 3,26 année-lumière

Coalescence d’étoiles à neutrons Pulsars Coalescence de trous noirs Désexcitation d’un trou noir Reliques du Big-Bang Supernovae

L’existence des ondes gravitationnelles a été prouvée indirectement Pulsar 1913+16: système binaire d’étoiles à neutrons en orbite l’une autour de l’autre Diminution de la période orbitale Diminution en accord avec la prédiction de la Relativité Générale (perte d’énergie par émission d’ondes gravitationnelles) Taylor & Hulse, Prix Nobel 1993

Pourquoi détecter les ondes gravitationnelles ? Tester la Relativité Générale dans un nouveau domaine Voir directement des trous noirs Accéder à des états extrêmes de la matière Faire de la cosmologie Problème de l’astronomie gravitationnelle le détecteur n’est pas directionnel, il faut au moins trois détecteurs pour déterminer la position de la source

Comment Les Détecter ? Il faut mesurer des longueurs avec une précision relative de 10-21 une distance de l ’ordre de 150 millions de kilomètres mesurée à un atome près Terre Soleil

La détection interférométrique Miroir Chemin 2 L’Interféromètre de Michelson Miroir Semi-réfléchissant Laser Chemin 1 Miroir Détecteur de lumière

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

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

Réglons l’interféromètre 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 l’amplitude h

La détection interférométrique en pratique Miroir de fond M22 Miroir de Recyclage Mrc Miroir d’entrée M11 Miroir d’entrée M21 Fabry-Perot 2 Fabry-Perot 1 Expérience de table : hMin  10-15 Virgo : hMin  10-21 Laser Lame Séparatrice Mbs Miroir de fond M12 Détecteur de lumière

Les interféromètres dans le monde LIGO Hanford : 2 ITF (4 km et 2 km) GEO, Hannovre, 600 m LIGO India? TAMA, Tokyo, 300 m LCGT dans la mine de Kamioka Virgo, Cascina, 3 km LIGO Livingston, 4 km AIGO R&D 4/18

Le Défi Technologique de VIRGO S’isoler des vibrations du sol Mettre tout l’interféromètre ( 7000 m3 ) sous vide (P = 10-9 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 msecondes) que l’interféromètre est à son point de fonctionnement nominal

Le Super-Atténuateur

Le Super-Atténuateur

Le Super-Atténuateur

Le Vide Les Tours Le Tube Les Vannes

Les miroirs Réflectivités définies à mieux que 0,01 % Réflectivités miroirs d’extrémité > 0.9998 Pertes (absorption, diffusion) de l’ordre de quelques ppm Rayon de courbure élevé (3400 m) et défini à 3 % près Surface définie à l/40 sur 30 cm de diamètre Solution : miroirs en silice (SiO2)  = 35 cm et h = 10 ou 20 cm

La mise au point du détecteur

Credit: R.Powell, B.Berger Adv. Virgo/Adv. LIGO/LCGT Où en est-on aujourd’hui? Première génération (2001-2008) Infrastructure mise en place Sensibilité de design atteinte Limites supérieures sur les taux d’événements Pas de détection 108 ly Enhanced LIGO/Virgo+ Virgo/LIGO Credit: R.Powell, B.Berger Adv. Virgo/Adv. LIGO/LCGT Enhanced Detectors (2009-2011) Sensibilité améliorée d’un facteur 2-3 Utilisation des certaines technologies « Advanced » Des surprises étaient possibles pas toujours pas de détection Advanced Detectors (2011-2020) Sensibilité améliorée d’un facteur 10 par rapport à la première génération Volume d’Univers visible augmenté d’un facteur 1000 10-100 événements par an ? Troisième Génération (>2017) Gain d’un facteur 100 comparé à la première

Un exemple de résultat astrophysique GRB 070201 On pense que les GRB (Gamma-Ray Burst) courts sont associés avec des coalescences d’étoiles binaires Position du GRB compatible avec la galaxie d’Andromède M31 (D=760 kpc) Signal d’ondes gravitationnelles facilement détectable exclu à 99 %

LISA La détection dans l’espace Un interféromètre avec des bras de 5 millions de kilomètres LISA Pathfinder – décollage prévu en 2014 : tests des certaines technologies de LISA Lancement de LISA pas encore fixé LISA

Conclusion Les Ondes Gravitationnelles existent Elles seront détectées directement au 21eme siècle Elles dévoileront de nouveaux phénomènes astrophysiques La première génération d’interféromètres a atteint la sensibilité prévue Pas de première détection mais les premières limites astrophysiquement intéressantes ont été obtenues Prochaine génération en cours de construction : première détection assurée ?!

The future of gravitational astronomy looks bright. 1972 Une histoire sans fin ? The future of gravitational astronomy looks bright. 1972 That the quest ultimately will succeed seems almost assured. The only question is when, and with how much further effort. 1983 [I]nterferometers should detect the first waves in 2001 or several years thereafter (…) 1995 Km-scale laser interferometers are now coming on-line, and it seems very likely that they will detect mergers of compact binaries within the next 7 years, and possibly much sooner. 2002 Kip S. Thorne