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VIRGO/LIGO

VIRGO/LIGO. François BONDU CNRS 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

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  1. VIRGO/LIGO • François BONDU CNRS • Francois.bondu@univ-rennes1.fr • 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.

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

  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

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

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

  11. 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

  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. Pendule : ztop zbottom Le transducteur : une cavité optique résonnante MASSE INERTIELLE : 1/ filtrage du bruit sismique 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. f > 10 Hz Fonction de transfert : avec Le transducteur : une cavité optique résonnante COORDONNEES F0 F3 F4 F5 F6 F7 Marionnette

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

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

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

  20. Bruit de fréquence additionné O.G. non significative laser O.G. s’additionnent Bruit de fréquence partiellement annulé 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

  21. Master laser Interféromètre de Michelson Slave laser 8000 W 500 W 10 W 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. 600 m 4 & 2 km GEO 3 km AIGO 300 m 4 km TAMA Instruments

  25. 16.7 W 10 W 1 – C = 3.10-4 Master laser 1 – C = 9.10-7 Instruments Cavité de filtrage de mode : Filtrage des fluctuations de pointé 3000 m 144 m Slave laser 1 W 3000 m 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. Instruments : perspectives Advanced LIGO/Virgo 2ème génération ~2020 NS-NS: ~200 Mpc

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

  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 = 5.6 1012 Monolithic suspensions Non degenerate rec. cavities 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.

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