Vers des observatoires d’ondes gravitationnelles VIRGO Vers des observatoires d’ondes gravitationnelles Groupe du LAL: M-A Bizouard, V Brisson, F Cavalier, A-C Clapson, M Davier, P Hello, S Kreckelberg, N Leroy, M Varvella-Arnaud

Physique: ondes gravitationnelles Prédites par la Relativité Générale d’Einstein. Perturbations de l’espace-temps voyageant à la vitesse de la lumière. Provoquées par des déplacements de masse. Interaction très faible avec la matière. L L + DL Temps La déformation relative DL/L est égale à leur amplitude h Prédictions: h  10-21 pour une source astrophysique à 10 Mpc.

Physique: ondes gravitationnelles L’existence des ondes gravitationnelles a été prouvée: Mesure de la perte d’énergie par émission d’ondes gravitationnelles. Diminution de période orbitale Pulsar binaire 1913+16: Système binaire d’étoiles à neutrons Précession des orbites Diminution de la période orbitale Mesures en accord avec la prédiction de la Relativité Générale Taylor & Hulse, Prix Nobel 1993 Erreur < 3%0

Détection: principe Mesure de h: variation d’une distance au cours du temps. Instrument de choix: interféromètre (expérience de Michelson et Morley) Principe: deux chemins optiques réglés pour l’interférence de l’onde, une faible variation relative des longueurs modifie l’interférence. Laser Détecteur Réglage de l’interféromètre sur une frange noire: pas de lumière au détecteur. Une onde gravitationnelle change la longueur des chemins… Le détecteur reçoit une quantité de lumière proportionnelle à l’amplitude h.

Détection: principe Laser Photo-détecteur Miroir de fond M22 Miroir de Recyclage Mrc Miroir d’entrée M11 Miroir d’entrée M21 Fabry-Perot 2 Fabry-Perot 1 Facteur limitant: bruit de photon. Expérience de table : hMin  10-17 Hz-1/2 Virgo : hMin  10-23 Hz-1/2 Laser Lame Séparatrice Mbs Miroir de fond M12 Photo-détecteur

Détection: que mesure-t-on? Ordre de grandeur de h: mieux que 10-21 soit la taille d’un atome pour 150 Mkm. Inaccessible en précision, mais pas en sensibilité. Autocorrélation du processus x(t) : Densité spectrale de puissance : Sx( f ) = TF de Ax(t) Si x(t) est un bruit, sa DSP donne la contribution de chaque fréquence au bruit total.  Précision : La sensibilité de la mesure pour un signal donné détermine le rapport signal sur bruit r : h : mesure t : signal recherché

Détection: difficultés de mise en oeuvre S’isoler des variations de longueurs parasites (vibrations du sol) Mettre tout l’interféromètre sous vide poussé (fluctuations d’indice) Avoir un laser de fréquence et puissance stable (jours) Miroirs semi-transparents sans défauts (surface et masse) Maintenir (activement) l’interféromètre au « point de fonctionnement »: position relative des miroirs contrôlée à 10-10 mètre (statistique).

VIRGO LAL Orsay LAPP Annecy IPN Lyon ESPCI Paris INFN Pise Observatoire de Nice IPN Lyon ESPCI Paris INFN Pise INFN Florence INFN Naples INFN Pérouse INFN Frascati Univ. Rome Collaboration franco-italienne lancée en 1989. Jusqu’à 50 physiciens et 150 ingénieurs. Instrument installé près de Pise. Interféromètre de 3 km ( 7000 m3 sous vide) Construction terminée fin 2003.

VIRGO

Performances des suspensions: VIRGO: suspension des miroirs Performances des suspensions: mouvement des miroirs de l’ordre du micron vitesse de quelques microns par seconde Contrepartie: Bruit thermique Chaque fil de suspension (ou miroir) est un oscillateur excité par l’agitation thermique. Caractérisation: w0 et Q facteur de qualité Mesures de Q : silice : 106 fils d’acier : 104 – 105 pendule : 107 Facteur limitant entre 3 et 500 Hz Miroir de 30 kg (bruit  quand M ) Recherche: Nouveaux matériaux (saphir) Suspensions monolithiques

VIRGO: courbe de sensibilité Bruit de photon Bruit sismique Résonances Bruit thermique

VIRGO: courbe de sensibilité

VIRGO: Etat des lieux VIRGO fonctionne (presque) R&D Analyse Configuration optique contrôlée (11 / 2004). Robustesse des contrôles à améliorer. Bruits instrumentaux à réduire. R&D Cryogénie. Nouveaux matériaux. Configurations optiques (recyclage du signal, tout réflectif) Analyse Méthodes testées en bruit stationnaire. Transition vers les données réelles en cours. Nouvelles méthodes. Préparation de l’analyse en réseau.

Physique: signaux attendus Coalescence binaire Distance de détection SN Fréquence d’occurrence SN Plus les objets compacts isolés, dont les trous noirs…

Détection: efforts (inter)nationaux Spécificité des instruments: Diagrammes d’antenne. Orientation. Sources de bruit locales. Couverture du ciel: Analyse cohérente. Détection non confirmée difficile à exploiter. Possibilités de corrélation: Observatoires astronomiques? Détecteurs de particules? Autres détecteurs d’ondes gravitationnelles.

Conclusion Plusieurs instruments en fonctionnement. Pas encore de détection. Virgo bientôt opérationnel. Champ de détection Galaxie-Amas de la Vierge. Ondes gravitationnelles attendues de plusieurs types d’objets astrophysiques. Limitations: distance et taux des événements.