VIRGO/LIGO François BONDU CNRS Institut de Physique de Rennes

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1 VIRGO/LIGO François BONDU CNRS Institut de Physique de Rennes
Institut de Physique de Rennes équipe photonique et lasers EGO-VIRGO, Cascina (Pise), Italie Avril 2009

2 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

3 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

4 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

5 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

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

7 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

8 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

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

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

11 Elles existent ! Le pulsar binaire 1913+16
Ondes gravitationnelles Elles existent ! Le pulsar binaire 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 ( : DP=14 sec) Coalescence dans ~ 3x108 années P (s) (9) dP/dt -2.425(10)x10-12 dw/dt (º/yr) (18) mp 1.442±0.003 M mc 1.386±0.003 M

12 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

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

14 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”

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

16 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

17 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 :

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

19 Le transducteur : une cavité optique résonnante
BRUIT DE FREQUENCE Un bruit de fréquence du laser est équivalent à une onde gravitationnelle : << >> ~ Résolution souhaitée : h ~ Hz Bruit de fréquence typique (Nd:YAG):  Il manque un facteur ! 200 Hz

20 Le transducteur : deux cavités optiques résonnantes
BRUIT DE FREQUENCE  Il manque un facteur ! 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

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

22 Bruits Densité spectrale de la résolution de Virgo (Conception)

23 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

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

25 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 = 1 – C = Laser injecté : Puissance ET stabilité Cavité de filtrage de mode en sortie : Filtrage des photons parasites

26 Instruments

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

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

29 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

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

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

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

33 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)

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

35 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) ?

36 The end.