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des Ondes Gravitationnelles
A la Recherche des Ondes Gravitationnelles Les ondes gravitationnelles Quelles Sources ? La détection interférométrique Les premiers résultats LISA Cavalier Fabien
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} 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
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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
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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
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Effet du passage d’une onde gravitationnelle
L + DL Temps La déformation relative DL/L est égale à leur amplitude h
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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
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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
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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
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Coalescence d’étoiles à neutrons Pulsars
Coalescence de trous noirs et désexcitation d’un trou noir
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L’existence des ondes gravitationnelles a été prouvée indirectement
Pulsar : 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
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Les sources d’Ondes Gravitationnelles
LIGO, Virgo
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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
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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 PSR (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 Enhanced LIGO et Virgo + 2015 Advanced LIGO et Advanced Virgo
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La détection interférométrique
Miroir Chemin 2 L’Interféromètre de Michelson Miroir Semi-réfléchissant Laser Chemin 1 Miroir Détecteur de lumière
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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
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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
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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
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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
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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)
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VIRGO
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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
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Le Super-Atténuateur
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Le Super-Atténuateur
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Le Super-Atténuateur
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Le Super-Atténuateur
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Le Super-Atténuateur Les Performances
amplitude du mouvement des miroirs de l’ordre du micron vitesse de quelques microns par seconde
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Le Vide Les Tours Le Tube Les Vannes
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Les miroirs Réflectivités définies à mieux que 0,01 %
Réflectivités miroirs d’extrémité > 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
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La Sensibilité nominale de Virgo
Si tous les bruits technologiques sont contrôlés
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La mise au point du détecteur
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Le réseau mondial de détecteurs
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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
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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
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L’orbite de LISA
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La configuration optique
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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 ?!
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