La recherche des ondes gravitationnelles avec Virgo

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1 La recherche des ondes gravitationnelles avec Virgo
01/03/05 La recherche des ondes gravitationnelles avec Virgo Marie-Anne Bizouard – LAL Orsay Que veut-on faire avec Virgo? Virgo Ou en est Virgo? Quelles sont les améliorations possibles? 17/06/2005 Journées thématiques

2 La physique Les sources et les ordres de grandeur
Ce qu’on peut espérer découvrir avec la première génération d’interféromètre Les techniques d’analyse du signal 17/06/2005 Journées thématiques

3 Les sources d’ondes gravitationnelles
01/03/05 Les sources d’ondes gravitationnelles Bursts (supernovae, désexcitation de trous noirs, ….) Systèmes binaires spiralants (étoiles a neutrons, trous noirs) Sources périodiques (pulsars) Fond stochastique Autres? Nouvelle physique 17/06/2005 Journées thématiques

4 01/03/05 Supernovae Effondrement gravitationnel du cœur d’une étoile massive ayant épuisé son carburant L’émission d’OG dépend de l’asymétrie pendant l’effondrement (SNII) Sources d’asymétrie: Rotation rapide Présence d’un compagnon Prédictions actuelles: Effondrement -> étoile à neutrons Effondrement -> SN avortée (étoile trop massive) -> Trou Noir + oscillation connue mal e statistiqu 10 ~ @ 22 kHz f Mpc h - 17/06/2005 Journées thématiques

5 Forme d’ondes émises lors d’une SN II
01/03/05 Forme d’ondes émises lors d’une SN II Simulation numérique (forme d’onde mal modélisée) Conséquence pour l’analyse: le filtrage de Wiener ne peut pas être utilisé méthodes robustes Autres caractéristiques: émission e.m. émission de neutrinos émission de GRB? - Coïncidence pour éliminer des fausses alarmes - Limite sur la masse des neutrinos 17/06/2005 Journées thématiques

6 Système de 2 astres compact en fin d’évolution (NS-NS NS-BH BH-BH)
01/03/05 Systèmes binaires Système de 2 astres compact en fin d’évolution (NS-NS NS-BH BH-BH) moment quadripolaire variable  émission OG émission OG  perte énergie/moment cinétique les 2 astres se rapprochent … FUSION PSR : fusion dans 300 millions d’années Forme d’onde des 3 phases: Coalescence: bien connue (aux ordres post-newtonien. ordre 3.5 PN récemment fini!) Plongeon: pas très bien connue: simulations numériques? Ringdown: bien connue Sinusoïde amortie Mais incertitude sur l’amplitude 17/06/2005 Journées thématiques

7 Systèmes binaires: phase spirale
01/03/05 Systèmes binaires: phase spirale 2 étoiles à 10Mpc hmax ~10-21 et fmax ~ 1 kHz Technique d’analyse: filtrage de Wiener: Corrélation des données avec un « patron » Difficulté: entre 1000 jusqu’à plusieurs « patrons » 17/06/2005 Journées thématiques

8 Estimations du nombre d’événements
01/03/05 Estimations du nombre d’événements NS-NS: (Kalogera, Belczynski, Bulik) 0.001 – 1 / an jusqu’à 20 Mpc NS-BH: 0.001 – 1 / an jusqu’à 43 Mpc BH-BH: / an jusqu’à 100 Mpc Gain substantiel pour la seconde génération de détecteur Facteur 10 sur la sensibilité gain d’un facteur 1000 sur le nombre d’événement 17/06/2005 Journées thématiques

9 01/03/05 Sources périodiques Sources: étoiles a neutrons en rotation rapide et non-axisymétrique (source d’asymétrie: « montagne », stress magnétique) Amplitude: très faible! Intégration du signal sur plusieurs années: SNR~ - Recherche en aveugle sur tout le ciel - Recherche de pulsars connus 17/06/2005 Journées thématiques

10 Fond stochastique Superposition d’OG émises depuis le big-bang:
01/03/05 Fond stochastique Superposition d’OG émises depuis le big-bang: Inflation, défauts topologiques, vibrations de cordes cosmiques, … Superposition incohérente de sources « standards » Intérêt: Les OG se sont découplées de la matière plus tôt que la lumière Intensité décrite par une quantité (densité) sans dimension: Prédiction théorique: Virgo+LIGO au bout d’un an: sensibilité 17/06/2005 Journées thématiques

11 Analyse en réseau Intérêts:
01/03/05 Analyse en réseau Intérêts: Obligatoire pour la recherche du bruit de fond stochastique Éliminer des fausses alarmes (bursts, binaires) Augmenter la probabilité de détection: analyse cohérente (burst, coalescence) Couverture du ciel: pas beaucoup de redondance … coincidence difficile! 17/06/2005 Journées thématiques

12 Technique d’analyse: exemple du filtrage de Wiener
Patron pas bien adapté au signal Patron gaussien : w = 1 ms Signal gaussien : w = 5 ms Signal : SNR intrinsèque = (h|h) = 10 Sortie du filtre : SNR = (h|t) = 7 Patron bien adapté au signal Patron gaussien : w = 1 ms Signal gaussien : w = 1 ms Signal : SNR intrinsèque = (h|h) = 10 Sortie du filtre : r = (h|t) = 10 Technique d’analyse: exemple du filtrage de Wiener 17/06/2005 Journées thématiques

13 Bilan sur les sources d’OG
01/03/05 Bilan sur les sources d’OG Amplitudes h très faibles Sources astrophysiques = astres compacts OG=perturbation de la métrique Modification des distances Effet différentiel interférométrie 17/06/2005 Journées thématiques

14 Virgo … historique 1960 1er détecteur: barres (Weber)
01/03/05 Virgo … historique 1960 1er détecteur: barres (Weber) 1963 idée détecteur ITF (Gersenshtein&Pustovoit, Weber) 1969 Fausse alarme (Weber) 1974 PSR (Hulse&Taylor) 1980 ITF: 1ers travaux en France 1986 naissance de la collaboration VIRGO (France+Italie) 1989 proposal VIRGO, proposal LIGO (USA) VIRGO approbation. LIGO approuvé 1996 début construction VIRGO et LIGO VIRGO CITF  1ères « données ». LIGO : science runs Commissioning final de VIRGO 2006 VIRGO sensibilité nominale. 17/06/2005 Journées thématiques

15 Principe de détection des OG
17/06/2005 Journées thématiques

16 Principe de la détection
01/03/05 Principe de la détection bruit+signal OG  chemin optique modifié  variation de la puissance Sensibilité en h : (bruit de photon) 17/06/2005 Journées thématiques

17 Amélioration du principe de base
01/03/05 Puissance LASER : Pin = 20 W sensibilité 10-17 Gain : 3000  30 ~ 106 frange brillante Laser Photodiode Détection Sensibilité : h ~ 10-22 10-23  augmenter la longueur des bras : 1 m  3 km (bruit de photon)  ajouter des cavités Fabry-Perot (Finesse = 50  Gain ~ 30)  ajouter le miroir de recyclage (P = 1 kW sur la séparatrice) 17/06/2005 Journées thématiques

18 Schéma optique de Virgo
01/03/05 Schéma optique de Virgo Laser Nd:YAG P=20 W Input Mode Cleaner Length = 144 m Recycling Output Mode Cleaner Length = 4 cm L=3km Finesse=50 P=1kW 17/06/2005 Journées thématiques

19 Atténuation du bruit sismique
01/03/05 Atténuation du bruit sismique Mesure sismique sur site  filtrage indispensable ! Oscillateur harmonique : Fonction de transfert : Loin de la résonance : N oscillateurs en série : 5 oscillateurs (fréquence propre 0.6 Hz): 17/06/2005 Journées thématiques

20 Suspensions de Virgo Super-attenuator = pendule inverse à 7 étages
01/03/05 Suspensions de Virgo Super-attenuator = pendule inverse à 7 étages Rôle passif: atténuation sismique attendu: 10Hz Rôle actif: contrôle : « top stage », marionette, masse de reference Thermal noise 17/06/2005 Journées thématiques

21 01/03/05 Bruit thermique Oscillateur harmonique a T excité par environnement  bruit thermique (cf mvt brownien, théorème fluctuation-dissipation) Chaque mode de vibration caractérisé par : fréquence propre w0 facteur de qualité Q Densité spectrale Si w << w0 : Si w >> w0 : 17/06/2005 Journées thématiques

22 Bruit thermique (suite)
01/03/05 Bruit thermique (suite) w0 = 2p x 1 kHz Q = 105 17/06/2005 Journées thématiques

23 VIRGO : sensibilité prévue
01/03/05 À condition de contrôler tous les autres bruits !!! «mur sismique» Résonance miroirs Modes violon Bruit thermique Queue de la résonance À 0.6 Hz Bruit de photon 17/06/2005 Journées thématiques

24 Éléments optiques Laser Nd:YAG P=20 W Input Mode Cleaner
01/03/05 Éléments optiques Laser Nd:YAG P=20 W Input Mode Cleaner Length = 144 m Recycling Output Mode Cleaner Length = 4 cm L=3km Finesse=50 P=1kW 17/06/2005 Journées thématiques

25 Stabilisation en fréquence du LASER
01/03/05 Cavité de référence (ULE) Sous vide Accrochée au banc d’entrée 17/06/2005 Journées thématiques

26  Vide poussé indispensable
Fluctuations d’indice 01/03/05 Fluctuations d’indice  fluctuations de phase (BRUIT !)  Vide poussé indispensable Besoin : pression résiduelle < 10-7 mbar Solution : Tubes acier  ~1.2 m, e ~ 4 mm. 200 modules de 15 m dans chaque bras étuvage 400C en usine puis 150 C (H2O) sur site pompage : 6 stations / bras Aujourd hui: P< 10-9 mbar P(H2) = mbar P(hydrocarbon) ~ mbar 17/06/2005 Volume de vide dans VIRGO : 2x3kmx1.2m ~ 7000 m3 ! Journées thématiques

27 Installation des miroirs de Virgo
01/03/05 Installation des miroirs de Virgo Les miroirs de Virgo sont produits au SMA-Lyon Il faut des pertes très faibles: < 2% (1kW sur la séparatrice): absorption du « coating » (< 1 ppm) et du substrat (<2 ppm/cm) diffusion < 5 ppm Aberrations (δz < λ/100) Transmission : 10 < T < 50 Miroir en silice: Ø = 35 cm Solution : miroirs en silice (SiO2) (épaisseur 10 ou 20 cm) Futur: miroir en saphir (Al2O3) ou fluorine (CaF2) 17/06/2005 Journées thématiques

28 Montage de la séparatrice
01/03/05 Montage de la séparatrice 17/06/2005 Journées thématiques

29 17/06/2005 Journées thématiques

30 Installation de la séparatrice
01/03/05 Installation de la séparatrice 17/06/2005 Journées thématiques

31 Séparatrice installée en juillet 2002
01/03/05 Séparatrice installée en juillet 2002 17/06/2005 Journées thématiques

32 La mise en route de Virgo
01/03/05 La mise en route de Virgo Première étape: partie centrale (sep juin 2002) Input Mode Cleaner Length = 144 m Laser Nd:YAG P=10 W Recycling Output Mode Cleaner Length = 4 cm West mirror North mirror 6.4 m 5.6 m 6 m 5 engineering run de 3 jours 17/06/2005 Journées thématiques

33 La mise en route de Virgo
01/03/05 La mise en route de Virgo Deuxième étape: Virgo complet: Sep 2003 Laser Nd:YAG P=20 W Input Mode Cleaner Length = 144 m Recycling Output Mode Cleaner Length = 4 cm L=3km Finesse=50 P=1kW Commissioning de chaque bras : fin03 2.1 Difficulté : retour de la lumière dans le MC : P = 5W 2.2 Locking des 2 bras: ITF « recombiné » : avril 04 3. Locking de Virgo recyclé: oct 04 Depuis … difficultés pour augmenter la robustesse du lock en Configuration ITF « recyclé » … état bi-stable 17/06/2005 Journées thématiques

34 Contrôle de l’ITF : le “locking”
Garder les cavités FP a leur position de résonance (maximiser la réponse en phase) Garder la cavité de recyclage à résonance (minimiser le bruit de photon) Garder le point de fonctionnement de l’ITF sur la “frange noire” (réduit la dépendance liées aux variations de puissance) LOCKING Garder la longueur des bras constante a mieux de 10-12 m ! 17/06/2005 Journées thématiques

35 Alignement des miroirs
Nécessaire pour: diminuer les variations de puissance diminuer le bruit non stationnaire 1 hour Auto-alignement ON 17/06/2005 Journées thématiques

36 Alignement linéaire 17/06/2005 Journées thématiques

37 Alignement linéaire 17/06/2005 Journées thématiques

38 Sensibilité actuelle 200 kpc for 1.4 NS -1.4 NS 17/06/2005
Journées thématiques

39 Les limitations actuelles
Electronic noise photodiode Oscillator phase noise Factor 3-4 17/06/2005 Journées thématiques

40 Comparaison Virgo-LIGO
Virgo mai 05 LIGO S2 avril 03 17/06/2005 Journées thématiques

41 Le futur proche Prise de données : 15 jours en août 2004  analyse de données Septembre 2004: shutdown pour remplacer le banc d’injection (avec un isolateur Faraday) Janvier 2005: Virgo « recyclé » et stable!? 17/06/2005 Journées thématiques

42 L’organisation de Virgo
2001: création du consortium EGO Gestion du site (infrastructures, vide, informatique, …) Support à Virgo: participation au commissioning 45 staff Collaboration Virgo les 11 laboratoires « historiques » (6 INFN, 3 IN2P3, Obs. Nice, ESPCI). 150 signataires (physiciens + ingénieurs) Conseil EGO + STAC (représentants français et italiens) Évaluation de l’avancement du projet tous les 6 mois 17/06/2005 Journées thématiques

43 Virgo EGO Scientifique Forum (VESF)
Crée en novembre 2004 pour attirer vers Virgo la communauté des théoriciens relativistes, numériciens, astrophysiciens, et ceux qui s’intéressent aux améliorations du détecteur L’idée est de fédérer au niveau européen la communauté: rapprochement avec les groupes GEO (Angleterre et Allemagne) GEO appartient à la LSC (LIGO Science Community) … Le VESF n’est pas un « VSC » (pas les mêmes droits ni les mêmes devoirs) Financement de 10 postdoc sur des projets d’analyse de données 17/06/2005 Journées thématiques

44 Les améliorations possibles
Améliorer la sensibilité d’un facteur 10 Gagner un facteur 10 sur la distance de détection Gagner un facteur 1000 sur le volume de sources potentielles NS-NS distance de détection pour Virgo/LIGO: 14 Mpc (amas de la Vierge)  Taux de binaires spiralantes: moins d’un événement par an! Pas d’astronomie des OG possible … Les détecteurs de « seconde génération » sont nécessaires étude prospective déjà démarrée dans Virgo … mais pas encore de design complet pour un « advanced Virgo » « white paper » en préparation 17/06/2005 Journées thématiques

45 Améliorations possibles
17/06/2005 Journées thématiques

46 planning 3 steps scenario:
Prise de données + Virgo upgrade : Virgo+ Shutdown vers 2010: advanced Virgo Détecteur de nouvelle génération Advanced LIGO: proposition NSF faite en février 2003 17/06/2005 Journées thématiques

47 Virgo + Idée: faire des « petits » upgrades pour limiter les périodes d’arrêt et commissioning tout en améliorent la sensibilité Quand?: quand Virgo aura atteint sa sensibilité nominale Après une prise de données de qqs mois/années ? Quoi?: Suspensions monolithiques (fused silica) Laser plus puissant (50 W ? + effet au niveau des optiques) Mirror thermal compensation (déformation thermique des miroirs) Upgrade du système de contrôle (électronique moins bruyante et mieux adaptée) 17/06/2005 Journées thématiques

48 Suspension monolithique
Technologie déjà éprouvée par GEO Installation: plusieurs mois d arrêt 17/06/2005 Journées thématiques

49 Virgo versus Virgo+ 17/06/2005 Journées thématiques

50 Advanced Virgo Le « design » doit être prêt pour 2007
Principales voies: Laser puissant (>100 W) Recyclage de signal Réduction du bruit thermique des miroirs (masse plus grande, meilleur coating, faisceau plat, …) Étude sur les matériaux 17/06/2005 Journées thématiques

51 Advanced Virgo, advanced LIGO
17/06/2005 Journées thématiques

52 Conclusions Analyse de données: les choses « sérieuses » commencent Sensibilité nominale en 2006? Analyse de données en reseau déjà démarrée (échange de données: en discussion) Programme d’améliorations possibles déjà bien rempli pour les 4 prochaines années Advanced Virgo: en discussion, plusieurs scenarios, R&D faite au niveau mondial 17/06/2005 Journées thématiques