Pluridisciplinarité (5 sections du CNRS) Télémétrie UMR 6162 Astrophysique Relativiste Théorie Expérience Modélisation Instrumentation Signaux Projets Pluridisciplinarité (5 sections du CNRS) LISA Virgo Nary MAN

Plan de la présentation Composition - Projets Historique Comment détecter une onde de gravitation Mesure de distance Projets de recherche: Virgo, LISA, Télémétrie Compétences dans ces projets Astrophysique non photonique

Composition 9 chercheurs (sections 2, 4, 8, 10,17) et astronomes 9 ingénieurs, techniciens, administratifs 1 CDD ingénieur 5 doctorants 1 post-doctorant

Projets Virgo 1 Thème principal: Ondes de Gravitation 3 Projets Télémétrie LISA

Historique VIRGO LISA Télémétrie ARTEMIS 1980 R&D 1985 Design 1989 Proposal Design 1993 T0 Construction 1999 T0 2000 Inauguration R&D lasers 2003 Recette Modélisation 2005 R&D Fibres T0 2007 VSR1 (+GEMINI)

Ondes de Gravitation? « Petits frissons » qui agitent en permanence l’Univers et se propagent à la vitesse de la lumière: des rides de l’espace-temps Prédites par Einstein dans sa théorie de la Relativité Générale en 1916 et formulées en 1918 Elles provoquent des variations de longueurs. Ex: la variation serait de l’épaisseur d’un cheveu sur une distance de 30 années-lumière. Leur force est mesurée par une variation relative de distance (objectif ~10-21 ) . The first point on this slide gives the key. If we could measure precisely enough the distance between two free-falling objects . . . Faiblesse du signal: pratiquement rien ne l’arrête Elle peut venir du fin fond de l’univers …

Détecter l’OG en mesurant une variation de longueur Utiliser un interféromètre: instrument qui compare des distances parcourues par deux faisceaux laser. sensible aux variations de distances inférieures à la longueur d’onde de la lumière. . . . and repeat that measurement accurately enough, then shouldn’t changes in that distance, not attributable to any other effect, be due to gravity waves? instrument qui compare des distances parcourues par deux faisceaux laser. sensible aux variations de distances inférieures à la longueur d’onde de la lumière.

Interféromètre de Michelson With this kind of sensitivity, the distance only needs to be maybe a few hundred meters to a few kilometers for gravity waves to be detected. Mesure de variation de phase pour atteindre objectif

Projet Virgo Détection des ondes de gravitation sur Terre : Virgo Projet de 76 M€, fonctionnement annuel 10 M€, 50 personnes sur site (maintenance, infrastructure), 11 laboratoires français et italiens Toutes les techniques poussées à l’extrême, meilleurs miroirs du monde, lasers de puissance ultra-stables, 2.7 ha d’inox avec taux dégazage < 10-16, isolation sismique de presque 10 ordres de grandeur, acquisition de données de 10Mb/seconde….

Interféromètre Virgo Gravity waves have a “quadrupole polarization,” a scientific way of saying the wave affects each direction at different times: first one, then the other. In other words, the directions are out of phase with each other. So the sensitivity is actually doubled by having two beams at right-angles to each other! Quadrupole polarization is a result of the fact that there is only one kind of gravitational “charge.” In electrostatics, there is both positive and negative charge. This allows electromagnetic waves to have dipole and quadrupole polarizations, among others. A quadrupole wave can only be produced by a spherically asymmetric arrangement of masses revolving at near light-speeds.

6 km de Tube à vide de 1,20 m de diamètre , 9 enceintes à vide dont 6 de 11 m de hauteur, 2,7 ha de surface métallique

Miroirs: 21 kg de haute technologie Suspendus par des 4 fils d’acier de 0.6 mm Miroirs: 21 kg de haute technologie

Fonctionnement Artemis dans Virgo Participation: 6 ch, 4 IT, 2 doct (9 ETP) 75-80 K€ par an, pour missions régulières sur site, réunions mensuelles, participation avec présentation aux conférences sur gravitation CDD ingénieur depuis 3 ans Bourse doctorant: 2004-2007 puis 2007-2010 50-70 k€ / an d’équipement pour le site 10 k€ de contrat R&D pour les futures améliorations

Artemis dans Virgo Photonique: Expertise lasers et contrôles des lasers Expertise cavités résonnantes et faisceaux laser R&D: lasers de puissance à fibre R&D: fibres microstructurées pour transport de faisceaux de puissance Physique des ondes de gravitation Analyse des bruits, analyse des sources stochastiques…. Théories alternatives de la gravitation

Sensibilités de Virgo 10-15 m

Détection des ondes de gravitation dans l’espace: LISA Projet 2 Détection des ondes de gravitation dans l’espace: LISA

Artemis dans LISA Participation: 4 ch, 3 doct, 1 post-doc (4 ETP) Modélisation du signal, étude de sources Traitement relativiste des orbites Traitement numérique de l’interférométrie Mise au point d’un programme de simulation généraliste de la mission LISA pour la communauté (en collaboration avec APC)

Horloge + dateur (picoseconde) Mesure de distance Horloge + dateur (picoseconde) . . . and repeat that measurement accurately enough, then shouldn’t changes in that distance, not attributable to any other effect, be due to gravity waves? D = vitesse lumière x temps de propagation = 0.3 mm 10-12 sec 299 792 458 m/s

Principes Mesure de distance à haute résolution (< nm) et haute précision (10-14 ), pour applications spatiales : interférométrie, géodésie, physique Principe : faisceau lumineux modulé réfléchi par la cible 3 mesures complémentaires: Temps de vol  L= t.c / 2 (détermination de n) Incertitude 1 ps  0.3 mm Phase de la modulation  L = n.L.+ L.F/ 4.p (L = c / Frep = 1 cm) détermination de k Incertitude 10-5 rd  10-6L = 10 nm Interférence optique  L= k.l + l.f / 4.p (l = 1 mm) Incertitude 10-14*L  1 pm pour L=100m  10 nm pour L = 1000 km

Projet 3: Télémétrie -Iliade 3 ch, 2 IT (3,5 ETP)  mesure de la phase interférométrique 2p (DL/l) FP(nN) laser à Impulsions courtes FP(nN+1) n cadence frep train d' impulsions frep temps de vol DL/c dateur (horloge) phase de modulation 2p(DL frep/c) Phasemètre bras de mesure bras de référence  3 Contrats CNES et ANR

Plan de la présentation Composition - Projets Historique Comment détecter une onde de gravitation Mesure de distance Projets de recherche: Virgo, LISA, Télémétrie Compétences dans ces projets Astrophysique non photonique

Astronomie/Astrophysique photonique Notre perception de l’Univers aujourd’hui : le Voir avec les Ondes électromagnétiques -> Astronomie optique: ….loi d’expansion de l’Univers de Hubble -> Radio-astronomie : …..rayonnement du fond cosmique -> Astronomie de rayons X: …..interaction des étoiles à neutrons et trous noirs -> Astronomie Infra-rouge : ….trous noirs très massifs dans le centre des galaxies. ……etc…………

L’astronomie Photonique Photon (i.e. onde électromagnétique) => transporte la force entre les charges électriques (en général les électrons) e- Charges en mouvement dans l’objet observé Colimateur Photon e- Charges en mouvement dans le détecteur DI: Courant électrique DT: Chauffage par effet Joule

L’astronomie des Ondes de Gravitation Graviton (i.e. onde de gravitation) => transporte la force entre les masses (la matière !) Mise en mouvement de masses tests m1 m2 m Masses en mouvement dans l’objet observé graviton   Mesure de leur distance par interférométrie laser

Les ondes gravitationnelles :un nouveau messager des étoiles Nouvelle perception de l’Univers : l’Ecouter avec les Ondes de Gravitation pulsar double PSR 1913+16: preuve indirecte de la Relativité Générale, obéit aux prédictions dynamiques, perd de l’énergie comme prévu par ondes de gravitation Prix Nobel 1993 pour Hulse et Taylor Quelle astrophysique avec les ondes de gravitation (cf Tania demain)

Merci de votre attention