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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
12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA
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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)
12 octobre 2004 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA
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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