Frédérique MARION Journées de prospective IN2P3 / DAPNIA 12 octobre 2004 Ondes Gravitationnelles...

Frédérique MARION

Journées de prospective IN2P3 / DAPNIA

12 octobre 2004

Ondes GravitationnellesProspective

12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

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Plan

Les enjeux de la détection des ondes gravitationnelles Les sources

détecteurs terrestres / détecteurs spatiaux

L’implication de l’IN2P3 L’avancement de Virgo

le commissioning l’analyse des données

Le réseau mondial de détecteurs terrestres Les upgrades de Virgo Vers un nouvel interféromètre européen? LISA


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Les enjeux

Tester la description de la gravitation par la Relativité Générale Mise en évidence expérimentale directe de l’existence des OG Vérification de leurs propriétés : vitesse de propagation, polarisation Phénomènes extrêmes : champ fort, effets non linéaires, observation

de trous noirs

Un nouvel outil pour l’astrophysique et la cosmologie dynamique d’une supernova lois régissant les étoiles à neutrons formation d’un trou noir sources « chandelles standard » visible à distance cosmologique par

des interféromètres de deuxième génération Univers à l’ère de Planck? (détecteurs spatiaux)


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Sources : détecteurs terrestres

Sources continues Étoiles à neutrons en rotation

» objets communs» amplitude difficile à prédire (limites sup.)» intégration du signal» souvent en système binaire

Sources impulsives Supernovae

» amplitude incertaine» Phénomène rare : 3 - 4 10-2 / an dans la

Galaxie Coalescences de systèmes binaires

d’objets compacts» NS-NS, NS-BH, BH-BH» sources détectables hors de la Galaxie» taux d’événements?

Sources inconnues» phénomènes violents, GRB?

Détection non assurée pour les interféromètres de 1ère génération


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Coalescences binaires : taux d’événements

Modèles d’évolution stellaire Taux de coalescences NS-NS, NS-BH,

BH-BH Prédictions « optimistes »

» NS+NS : 3·10-5 – 3·10-4 / an dans la Galaxie» NS+BH et BH+BH : 10 à 100 fois moins

– visibles à plus grande distance plus d’événements attendus– BH+BH (30 M) : ~ 2 - 3 / an

Analyse statistique Uniquement NS-NS Prédictions « pessimistes » (limites inférieures)

» 1 – 30 ·10-6 / an dans la Galaxie (ancienne valeur)

Un nouveau système découvert» révision à la hausse du taux NS-NS» prédiction encore très incertaine

RRdetdet (ini. LIGO) (yr (ini. LIGO) (yr-1-1) R) Rdetdet (adv. LIGO) (yr (adv. LIGO) (yr-1-1))

075.02.0

06.0

4051073

325


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Sources : détecteurs spatiaux

Une autre gamme de fréquence [10-4 - 1] Hz

D’autres sources Étoiles binaires compactes Coalescences de trous noirs

binaires massifs Fond primordial d’OG?

Une détection assurée Complémentarité avec les

détecteurs terrestres


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L’implication de l’IN2P3 dans Virgo

LAL Tube à vide et pompage Global Control & locking Analyse des données

» bursts

LAPP Enceintes à vide (« bas de tour ») Système de détection Acquisition des données Commissioning Analyse des données

» Coalescences binaires» Pulsars en système binaire

LMA (IPNL) Traitement de miroirs (« coatings »)


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Virgo : CITF

Étape décisive dans l’avancement de Virgo septembre 2001 juillet 2002 nombreux points communs avec Virgo

Évolution de la sensibilité avec la configuration E0/E1 : Michelson simple E2 : Michelson recyclé E3 : + alignement automatique E4 : + système d’injection final

Des résultats probants Fiabilité des contrôles Courbe de sensibilité comprise


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Virgo : commissioning (I)

Démarrage à l’été 2003 Contrôle du bras nord

octobre 2003

Contrôle du bras ouest décembre 2003

Interféromètre recombiné mars 2004

Quatre runs techniques Caractérisation de la sensibilité

courante du détecteur


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Virgo : commissioning (II)

Vers un interféromètre recyclé « étape 2 » maîtrisée « étape 3 » maîtrisée étape finale : travail en cours run C5 en mode recyclé en novembre ?

Modification du banc d’injection problème de lumière retro-diffusée vers le

mode-cleaner d’entrée solution temporaire mise en œuvre nouveau design en cours

Vers la sensibilité nominale premier run à sensibilité « raisonnable »

en 2005


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Virgo : analyse des données (I)

Bursts forme d’onde mal connue méthodes d’analyse robustes et variées

Coalescences binaires forme d’onde bien connue filtrage adapté espace des paramètres grand méthodes de pavage méthodes d’analyse efficaces analyse multi-bandes méthodes de veto extraction des paramètres de la source


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Virgo : analyse des données (II)

Pulsars Effet Doppler dû au mouvement du détecteur

» espace des paramètres gigantesque pour recherche aveugle» recherche limitée par les moyens de calcul

Cas particulier des pulsars en système binaire» méthode spécifique» accord Virgo-Nautilus pour tester la méthode sur les données de ce

détecteur résonnant italien

Fonds stochastiques Nécessite deux détecteurs Activité en développement (peu de manpower)


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Virgo : mise en œuvre de l’analyse

Calibration / Reconstruction Analyse des données des runs techniques

investigations liées au commissioning préparation de la recherche d’événements / procédures de veto

Mock Data Challenges (MDC) données simulées (bruits et événements)

» bursts et coalescences binaires mise au point et test du pipeline d’analyse 6 MDC entre mars 2003 et juin 2004

Injections d’événements « software » et « hardware » run C4

Moyens de calcul analyse online : Cascina analyse offline et simulation : centres nationaux (Lyon et Bologne)


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Réseau mondial : avancement de LIGO

Trois interféromètres opérationnels

Commissioning entamé en 1999

Lente progression vers la sensibilité nominale

Premières prises de données scientifiques

S1, août - septembre 2002

» premières limites supérieures

S2, mars - avril 2003

S3, novembre 2003 - janvier 2004

» un facteur 2-3 de la sensibilité nominale !

Run de 6 mois en 2005

S1S2S3


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Réseau mondial : vers un observatoire

Analyses combinées nécessaires pour extraire toutes les informations possibles sur la source

Multiples accords bilatéraux établis ou en cours LIGO – GEO : GEO LSC (LIGO Scientific Collaboration) LIGO – TAMA : MOU Virgo – barres italiennes : MOU ou discussions en cours Virgo – GEO : discussions dans le cadre du réseau européen ILIAS …

Virgo – LIGO MOU en cours de négociation Accord sur deux projets

» Projet 1 (en cours) : de type MDC– Réunion d’étape au MIT à la fin de la semaine

» Projet 2 : injections software & hardware dans de vraies données


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Advanced LIGO

Virgo : upgrades

Perspectives de détection limitées pour les interféromètres de 1ère génération

Nécessité d’une amélioration majeure de la sensibilité à l’horizon 2008-2009 Advanced Ligo : installation en 2007-2008

observations en 2009

Divers R&D en cours dans ou autour de Virgo R&D récents en général

Définition d’un plan d’upgrades Graduels Obtenir au moins un facteur 10 sur toute la bande de

fréquence en 2009

Discussion entamée dans la collaboration « working group » nommé, doit aboutir d’ici ~ 6 mois


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Upgrades : bruit sismique

Super-atténuateurs de Virgo répondent déjà aux critères d’un interféromètre de deuxième génération

Adaptations techniques aux modifications du dernier étage


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Upgrades : bruit thermique pendulaire

Dernier étage moins dissipatif : suspension monolithique (silice) R&D ancien dans Virgo Faisabilité démontrée dans GEO

Problèmes corollaires actionneurs électrostatiques upgrade du système de contrôle


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Upgrades : bruit thermique du miroir

Déterminant pour un détecteur avancé

Plusieurs phénomènes en cause Substrat

choisir le bon matériau optimiser la géométrie modifier le profil des faisceaux

Coatings R&D en cours


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Upgrades : bruit de photons

Deux types de solutions

Laser de forte puissance Faisabilité démontrée par R&D GEO R&D nécessaire sur effets thermiques

Recyclage du signal Pas d’effets thermiques Complexité du schéma de contrôle


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Au delà de « Advanced Virgo »

Quoi Un nouvel interféromètre

Qui L’ensemble de la communauté européenne Virgo + GEO + …

Quand Horizon 2010 - 2015

Comment Un deuxième interféromètre dans le tube de Virgo? Souterrain ? Cryogénique ? Dépassement des limites quantiques ?

Avec quels moyens Proposition de « design study » en mars 2004, dans le cadre de

l’appel d’offre européen FP6 proposition rejetée ??


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LISA

Orbite héliocentrique Trois satellites distants de

5.106 km Projet piloté conjointement par

l’ESA et la NASA Contrat avec Astrium pour les

satellites Lancement prévu en 2013 Déjà des réflexions pour

étendre la sensibilité de LISA à plus basse fréquence! et une proposition pour un autre

interféromètre spatial complétant la couverture du spectre entre LISA et les détecteurs terrestres


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LISA Pathfinder

Mission de démonstration technologique Capteurs inertiels (accéléromètres) Compensation de traînée Système optique

Approuvé en novembre 2003 Lancement prévu en novembre 2007


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LISA France

Lettre d’intention en mai 2004 Groupes français théoriques et expérimentaux IN2P3 : APC, LAPP + LPSC depuis Artemis (observatoire Côte d’Azur) IAP LUTH & SYRTE (observatoire Paris-Meudon)

LISA Pathfinder Modulateur acousto-optique (APC)

LISA Analyse de données Développements théoriques (sources)


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Conclusions

Détecteurs de 1ère génération LIGO à un facteur 2 – 3 de sa sensibilité nominale Virgo encore en phase de commissioning, progrès rapides

» Premier run scientifique en 2005» Préparation intensive de l’analyse des données» Opportunité d’engagement pour de nouveaux groupes

Perspectives de détection limitées

Détecteurs de 2ème génération Advanced LIGO en 2009 Plan d’upgrades en cours de définition pour Virgo Un second interféromètre européen en 2015? Perspectives de détection à distance cosmologique

Interféromètres spatiaux LISA Pathfinder en 2007 LISA en 2013 LISA France en développement

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