VIRGO/LIGO François BONDU CNRS Institut de Physique de Rennes Francois.bondu@univ-rennes1.fr Institut de Physique de Rennes équipe photonique et lasers EGO-VIRGO, Cascina (Pise), Italie Avril 2009

Plan Ondes gravitationnelles et géométrie de l’espace-temps La relativité générale : une théorie géométrique de la gravitation Sources astrophysiques d’ondes gravitationnelles II. Le transducteur : une cavité Fabry-Perot III. Instruments construits et en projet

Ondes gravitationnelles RELATIVITE GENERALE (Einstein 1915) La matière dit à l’espace-temps comment se courber et l’espace-temps dit à la matière comment se déplacer. Quand la matière est accélérée ou change de configuration, elle modifie la courbure de l’espace temps. Ces changements se propagent : ce sont les ondes gravitationnelles. 3

Ondes Gravitationnelles RELATIVITE GENERALE Dans la « jauge transverse sans trace », OG = écart dynamique à l’espace-temps euclidien élément d’espace-temps pour une OG se propageant selon z A B O >> sans dimension >> transverse >> 2 polarisations >> OG tensorielle

Ondes gravitationnelles EXPERIENCE DE PENSEE tB tA A envoie un photon à B à l’instant t0 B renvoie le photon immédiatement, reçu par A à t1 A compare t1-t0 avec son horloge A B O

Ondes gravitationnelles EXPERIENCE DE PENSEE Photon:  B (L,0,0) A O (0,0,0) >> masses inertielles >> horloge et photons (astrophysique)

Ondes gravitationnelles EXPERIENCE DE PENSEE Détecter des ondes de gravitation : Mesurer avec une horloge locale Les variations des durées d’aller-retour des photons entre des masses inertielles à z = 0 et z = L avec une résolution de 10-21

Ondes gravitationnelles Les effets des ondes gravitationnelles ne sont perceptibles que dans des conditions extrêmes de densité et de vitesse. sources impulsionnelles formation d’étoiles à neutrons ou de trous noirs fusion de systèmes binaires massifs (étoiles à neutrons, trous noirs) sources continues étoiles à neutrons en rotation rapide coalescence de systèmes binaires massifs fond gravitationnel stochastique cosmologique (époque du Big Bang) astrophysique 8

Ondes gravitationnelles Exemple de forme d’onde pour la phase spiralante avant coalescence d’étoiles binaires chirp

Ondes gravitationnelles Exemple de forme d’onde pour la phase spiralante avant coalescence d’étoiles binaires chirp

Elles existent ! Le pulsar binaire 1913+16 Ondes gravitationnelles Elles existent ! Le pulsar binaire 1913+16 Pulsar lié à un compagnon obscur situé à 7 kpc. Horloge précise et relativiste (v/c~10-3) Mesures : [J.H.Taylor et al., Nature, 1992] Le système perd de l’énergie par émission d’ondes gravitationnelles (1975-94: DP=14 sec) Coalescence dans ~ 3x108 années P (s) 27906.9807807(9) dP/dt -2.425(10)x10-12 dw/dt (º/yr) 4.226628(18) mp 1.442±0.003 M mc 1.386±0.003 M

Plan Ondes gravitationnelles et géométrie de l’espace-temps La relativité générale : une théorie géométrique de la gravitation Sources astrophysiques d’ondes gravitationnelles II. Le transducteur : une cavité Fabry-Perot à miroirs suspendus bruits miroirs suspendus interféromètre de Michelson III. Instruments construits et en projet IV. Contrôle

Le transducteur : une cavité optique résonnante MASSE INERTIELLE : 1/ filtrage du bruit sismique Pendule : ztop zbottom Fonction de transfert: avec

Le transducteur : une cavité optique résonnante MASSE INERTIELLE : 2/ inertie Pendule : Fonction de transfert: avec Fbottom zbottom Note: pour f>f0, Fmirror(w) ~Mw2zmirror(w)  masse inertielle, en “chute libre”

Le transducteur : une cavité optique résonnante COORDONNEES F0 F3 F4 F5 F6 F7 Marionnette Fonction de transfert : avec f > 10 Hz

Le transducteur : une cavité optique résonnante HORLOGE ET PHOTONS Porteuse résonnante dans la cavité (modèle spectral scalaire) Bandes latérales non résonnantes C USB LSB Laser E.O. modulator ~ RF synthesizer Mirror 1 Mirror 2 Horloge C USB LSB Temps vol photon

Le transducteur : une cavité optique résonnante HORLOGE ET PHOTONS Fonctions de transfert d’une cavité : - bruit de fréquence : - bruit de longueur : - bruit d’onde gravitationnelle :

Le transducteur : une cavité optique résonnante METROLOGIE DU TEMPS résonateur amplitude réponse photons f 3.1011 = 288 THz FWHM = 1 kHz 5.1021 /s 1 kW @ 1.064 mm Densité spectrale de résolution :

Le transducteur : une cavité optique résonnante BRUIT DE FREQUENCE Un bruit de fréquence du laser est équivalent à une onde gravitationnelle : << >> ~ Résolution souhaitée : h ~ 6 10-23 /√Hz @ 200 Hz Bruit de fréquence typique (Nd:YAG):  Il manque un facteur 7.1010 ! 2.10-12/√Hz @ 200 Hz

Le transducteur : deux cavités optiques résonnantes BRUIT DE FREQUENCE  Il manque un facteur 7.1010 ! Configuration Michelson : facteur ~100 Stabilisation de la fréquence : facteur > 108 laser Bruit de fréquence additionné O.G. non significative O.G. s’additionnent Bruit de fréquence partiellement annulé

Interféromètre de Michelson Slave laser 8000 W 10 W 500 W Master laser Détection

Bruits Densité spectrale de la résolution de Virgo (Conception)

Plan Ondes gravitationnelles et géométrie de l’espace-temps II. Le transducteur : une cavité Fabry-Perot à miroirs suspendus bruits interféromètre de Michelson III. Instruments construits et en projet v1. Virgo et LIGO v2. Advanced LIGO et Advanced VIRGO v3. Einstein Telescope

Instruments 600 m GEO 4 & 2 km 3 km TAMA 300 m 4 km AIGO

Instruments Cavité de filtrage de mode : Filtrage des fluctuations de pointé 3000 m 144 m Slave laser 16.7 W 10 W 1 W 3000 m Master laser 1 – C = 9.10-7 1 – C = 3.10-4 Laser injecté : Puissance ET stabilité Cavité de filtrage de mode en sortie : Filtrage des photons parasites

Instruments

Instruments Lobe d’antenne d’un interféromètre de Michelson de 3 km

Advanced LIGO/Virgo 2ème génération ~2020 Instruments : perspectives Advanced LIGO/Virgo 2ème génération ~2020 NS-NS: ~200 Mpc

Interféromètres avancés - observatoires 2e génération (<2020) Adv. LIGO f 1.4 M NS+NS binaires ; jusqu’à 300 Mpc Taux d’événements : (~2/an) 3/jour 1.4 MNS+10 MBH, détectables jusqu’à 650 Mpc taux de 1/an à 4/jour

Interféromètres avancés - observatoires 2e génération (<2020) Advanced Virgo

Interféromètres avancés - observatoires 2e génération (<2020) Adv. LIGO

Interféromètres avancés - observatoires Adv. Virgo Larger central links Cryotraps Heavier mirrors Higher finesse 3km FP cavities Waist in the cavity center 200W laser Qcav = 5.6 1012 Non degenerate rec. cavities Monolithic suspensions Signal Recycling (SR)

Interféromètres avancés - observatoires Ajustabilité de la courbe de densité spectral de résolution, par ajustement du désaccord de la cavité de recyclage de signal  optimisation du détecteur pour différentes sources (BNS, BBH, pulsars milliseconde, supernovae)

Interféromètres avancés - observatoires Analyse en réseau Réseau LIGO Ad. LIGO, Pdet = 90%  230 Mpc Ad. LIGO-Virgo 270 Mpc Virgo

Interféromètres avancés génération 3 (2030 ?) « Einstein telescope » Configuration optique Miroirs cryogéniques ? Laser de puissance Etats comprimés de lumière ? Suspensions Tubes à vides souterrains (réduction des ondes sismiques de surface) ?

The end.