Ondes Gravitationnelles Prospective Frédérique MARION Journées de prospective IN2P3 / DAPNIA 12 octobre 2004

Journées de prospective IN2P3/DAPNIA Plan Les enjeux de la détection des ondes gravitationnelles Les sources détecteurs terrestres / détecteurs spatiaux L’implication de l’IN2P3 L’avancement de Virgo le commissioning l’analyse des données Le réseau mondial de détecteurs terrestres Les upgrades de Virgo Vers un nouvel interféromètre européen? LISA 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Journées de prospective IN2P3/DAPNIA Les enjeux Tester la description de la gravitation par la Relativité Générale Mise en évidence expérimentale directe de l’existence des OG Vérification de leurs propriétés : vitesse de propagation, polarisation Phénomènes extrêmes : champ fort, effets non linéaires, observation de trous noirs Un nouvel outil pour l’astrophysique et la cosmologie dynamique d’une supernova lois régissant les étoiles à neutrons formation d’un trou noir sources « chandelles standard » visible à distance cosmologique par des interféromètres de deuxième génération Univers à l’ère de Planck? (détecteurs spatiaux) 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Sources : détecteurs terrestres Sources continues Étoiles à neutrons en rotation objets communs amplitude difficile à prédire (limites sup.) intégration du signal souvent en système binaire Sources impulsives Supernovae amplitude incertaine Phénomène rare : 3 - 4 10-2 / an dans la Galaxie Coalescences de systèmes binaires d’objets compacts NS-NS, NS-BH, BH-BH sources détectables hors de la Galaxie taux d’événements? Sources inconnues phénomènes violents, GRB? Détection non assurée pour les interféromètres de 1ère génération 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Coalescences binaires : taux d’événements Modèles d’évolution stellaire Taux de coalescences NS-NS, NS-BH, BH-BH Prédictions « optimistes » NS+NS : 3·10-5 – 3·10-4 / an dans la Galaxie NS+BH et BH+BH : 10 à 100 fois moins visibles à plus grande distance plus d’événements attendus BH+BH (30 M) : ~ 2 - 3 / an Analyse statistique Uniquement NS-NS Prédictions « pessimistes » (limites inférieures) 1 – 30 ·10-6 / an dans la Galaxie (ancienne valeur) Un nouveau système découvert révision à la hausse du taux NS-NS prédiction encore très incertaine Rdet (ini. LIGO) (yr-1) Rdet (adv. LIGO) (yr-1) 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Sources : détecteurs spatiaux Une autre gamme de fréquence [10-4 - 1] Hz D’autres sources Étoiles binaires compactes Coalescences de trous noirs binaires massifs Fond primordial d’OG? Une détection assurée Complémentarité avec les détecteurs terrestres 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

L’implication de l’IN2P3 dans Virgo LAL Tube à vide et pompage Global Control & locking Analyse des données bursts LAPP Enceintes à vide (« bas de tour ») Système de détection Acquisition des données Commissioning Coalescences binaires Pulsars en système binaire LMA (IPNL) Traitement de miroirs (« coatings ») 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Journées de prospective IN2P3/DAPNIA Virgo : CITF Étape décisive dans l’avancement de Virgo septembre 2001  juillet 2002 nombreux points communs avec Virgo Évolution de la sensibilité avec la configuration E0/E1 : Michelson simple E2 : Michelson recyclé E3 : + alignement automatique E4 : + système d’injection final Des résultats probants Fiabilité des contrôles Courbe de sensibilité comprise 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Virgo : commissioning (I) Démarrage à l’été 2003 Contrôle du bras nord octobre 2003 Contrôle du bras ouest décembre 2003 Interféromètre recombiné mars 2004 Quatre runs techniques Caractérisation de la sensibilité courante du détecteur 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Virgo : commissioning (II) Vers un interféromètre recyclé « étape 2 » maîtrisée « étape 3 » maîtrisée étape finale : travail en cours run C5 en mode recyclé en novembre ? Modification du banc d’injection problème de lumière retro-diffusée vers le mode-cleaner d’entrée solution temporaire mise en œuvre nouveau design en cours Vers la sensibilité nominale premier run à sensibilité « raisonnable » en 2005 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Virgo : analyse des données (I) Bursts forme d’onde mal connue  méthodes d’analyse robustes et variées Coalescences binaires forme d’onde bien connue  filtrage adapté espace des paramètres grand  méthodes de pavage méthodes d’analyse efficaces  analyse multi-bandes méthodes de veto extraction des paramètres de la source 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Virgo : analyse des données (II) Pulsars Effet Doppler dû au mouvement du détecteur espace des paramètres gigantesque pour recherche aveugle recherche limitée par les moyens de calcul Cas particulier des pulsars en système binaire méthode spécifique accord Virgo-Nautilus pour tester la méthode sur les données de ce détecteur résonnant italien Fonds stochastiques Nécessite deux détecteurs Activité en développement (peu de manpower) 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Virgo : mise en œuvre de l’analyse Calibration / Reconstruction Analyse des données des runs techniques investigations liées au commissioning préparation de la recherche d’événements / procédures de veto Mock Data Challenges (MDC) données simulées (bruits et événements) bursts et coalescences binaires mise au point et test du pipeline d’analyse 6 MDC entre mars 2003 et juin 2004 Injections d’événements « software » et « hardware » run C4 Moyens de calcul analyse online : Cascina analyse offline et simulation : centres nationaux (Lyon et Bologne) 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Réseau mondial : avancement de LIGO Trois interféromètres opérationnels Commissioning entamé en 1999 Lente progression vers la sensibilité nominale Premières prises de données scientifiques S1, août - septembre 2002 premières limites supérieures S2, mars - avril 2003 S3, novembre 2003 - janvier 2004 un facteur 2-3 de la sensibilité nominale ! Run de 6 mois en 2005 S1 S2 S3 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Réseau mondial : vers un observatoire Analyses combinées nécessaires pour extraire toutes les informations possibles sur la source Multiples accords bilatéraux établis ou en cours LIGO – GEO : GEO  LSC (LIGO Scientific Collaboration) LIGO – TAMA : MOU Virgo – barres italiennes : MOU ou discussions en cours Virgo – GEO : discussions dans le cadre du réseau européen ILIAS … Virgo – LIGO MOU en cours de négociation Accord sur deux projets Projet 1 (en cours) : de type MDC Réunion d’étape au MIT à la fin de la semaine Projet 2 : injections software & hardware dans de vraies données 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Journées de prospective IN2P3/DAPNIA Virgo : upgrades Perspectives de détection limitées pour les interféromètres de 1ère génération Nécessité d’une amélioration majeure de la sensibilité à l’horizon 2008-2009 Advanced Ligo : installation en 2007-2008 observations en 2009 Divers R&D en cours dans ou autour de Virgo R&D récents en général Définition d’un plan d’upgrades Graduels Obtenir au moins un facteur 10 sur toute la bande de fréquence en 2009 Discussion entamée dans la collaboration « working group » nommé, doit aboutir d’ici ~ 6 mois Advanced LIGO 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Upgrades : bruit sismique Super-atténuateurs de Virgo répondent déjà aux critères d’un interféromètre de deuxième génération Adaptations techniques aux modifications du dernier étage 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Upgrades : bruit thermique pendulaire Dernier étage moins dissipatif : suspension monolithique (silice) R&D ancien dans Virgo Faisabilité démontrée dans GEO Problèmes corollaires actionneurs électrostatiques upgrade du système de contrôle 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Upgrades : bruit thermique du miroir Déterminant pour un détecteur avancé Plusieurs phénomènes en cause Substrat choisir le bon matériau optimiser la géométrie modifier le profil des faisceaux Coatings R&D en cours 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Upgrades : bruit de photons Deux types de solutions Laser de forte puissance Faisabilité démontrée par R&D GEO R&D nécessaire sur effets thermiques Recyclage du signal Pas d’effets thermiques Complexité du schéma de contrôle 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Au delà de « Advanced Virgo » Quoi Un nouvel interféromètre Qui L’ensemble de la communauté européenne Virgo + GEO + … Quand Horizon 2010 - 2015 Comment Un deuxième interféromètre dans le tube de Virgo? Souterrain ? Cryogénique ? Dépassement des limites quantiques ? Avec quels moyens Proposition de « design study » en mars 2004, dans le cadre de l’appel d’offre européen FP6  proposition rejetée  ?? 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Journées de prospective IN2P3/DAPNIA LISA Orbite héliocentrique Trois satellites distants de 5.106 km Projet piloté conjointement par l’ESA et la NASA Contrat avec Astrium pour les satellites Lancement prévu en 2013 Déjà des réflexions pour étendre la sensibilité de LISA à plus basse fréquence! et une proposition pour un autre interféromètre spatial complétant la couverture du spectre entre LISA et les détecteurs terrestres 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Journées de prospective IN2P3/DAPNIA LISA Pathfinder Mission de démonstration technologique Capteurs inertiels (accéléromètres) Compensation de traînée Système optique Approuvé en novembre 2003 Lancement prévu en novembre 2007 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Journées de prospective IN2P3/DAPNIA LISA France Lettre d’intention en mai 2004 Groupes français théoriques et expérimentaux IN2P3 : APC, LAPP + LPSC depuis Artemis (observatoire Côte d’Azur) IAP LUTH & SYRTE (observatoire Paris-Meudon) LISA Pathfinder Modulateur acousto-optique (APC) LISA Analyse de données Développements théoriques (sources) 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

Journées de prospective IN2P3/DAPNIA Conclusions Détecteurs de 1ère génération LIGO à un facteur 2 – 3 de sa sensibilité nominale Virgo encore en phase de commissioning, progrès rapides Premier run scientifique en 2005 Préparation intensive de l’analyse des données Opportunité d’engagement pour de nouveaux groupes Perspectives de détection limitées Détecteurs de 2ème génération Advanced LIGO en 2009 Plan d’upgrades en cours de définition pour Virgo Un second interféromètre européen en 2015? Perspectives de détection à distance cosmologique Interféromètres spatiaux LISA Pathfinder en 2007 LISA en 2013 LISA France en développement 12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA