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

} 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

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

Coalescence d’étoiles à neutrons Pulsars Coalescence de trous noirs et désexcitation d’un trou noir

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 (Séparation ~106 km, Diminution de 3mm/orbite(8h)) Diminution en accord avec la prédiction de la Relativité Générale (perte d’énergie par émission d’ondes gravitationnelles) Taylor & Hulse, Prix Nobel 1993

Les sources d’Ondes Gravitationnelles LIGO, Virgo

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 : Rappel Historique 1960 Premier détecteur(Weber) 1963 Idée d’un détecteur ITF(Gersenshtein&Pustovoit, Weber) 1969 Première fausse alarme (Weber) 197X Age d’or des détecteurs type Weber 1972 Faisabilité de l’ITF (Weiss) et premier prototype (Forward) 1974 PSR1913+16 (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 2009-2011 Enhanced LIGO et Virgo + 2015 Advanced LIGO et Advanced Virgo

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 GEO VIRGO LIGO TAMA AIGO 3 ITF kilométriques: VIRGO (3 km) LIGO (2 antennes 4 km + 1 antenne 2 km)

VIRGO

Les Difficultés Techniques 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 Super-Atténuateur

Le Super-Atténuateur Les Performances amplitude du mouvement des miroirs de l’ordre du micron vitesse de quelques microns par seconde

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 Sensibilité nominale de Virgo Si tous les bruits technologiques sont contrôlés

La mise au point du détecteur

Le réseau mondial de détecteurs

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

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

L’orbite de LISA

La configuration optique

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 sont en train de sortir Prochaine génération en cours de construction : première détection assurée ?!