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1
VIRGO/LIGO
François BONDU CNRS [email protected]
Institut de Physique de Rennes équipe photonique et lasers
EGO-VIRGO, Cascina (Pise), Italie
Avril 2009
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2
Plan
I. Ondes gravitationnelles et géométrie de l’espace-tempsLa relativité générale : une théorie géométrique de la gravitationSources astrophysiques d’ondes gravitationnelles
II. Le transducteur : une cavité Fabry-Perot
III. Instruments construits et en projet
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3
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.
Ondes gravitationnelles
RELATIVITE GENERALE
(Einstein 1915)
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4
O
A B
Dans la « jauge transverse sans trace »,
OG = écart dynamique à l’espace-temps euclidien
élément d’espace-tempspour une OG se propageant selon z
>> sans dimension>> transverse>> 2 polarisations>> OG tensorielle
RELATIVITE GENERALE
Ondes Gravitationnelles
2
x
22
222
d
dd)(2
d))(1(d))(1(
dd
z
yxth
ythxth
tcs
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5
O
A B
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
Ondes gravitationnelles
EXPERIENCE DE PENSEE
tA
tB
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6
0d 2 s
xth
tcd
2)(
1
d
2
)(1
201
th
c
Ltt
O
A
B
(0,0,0)
(L,0,0)
Photon:
EXPERIENCE DE PENSEE
>> masses inertielles>> horloge et photons
2110h(astrophysique)
Ondes gravitationnelles
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7
Ondes gravitationnelles
EXPERIENCE DE PENSEE
Détecter des ondes de gravitation :
Mesurer avec
une horloge locale
Les variations des durées d’aller-retour
des photonsentre des masses inertielles à z = 0 et z = L
avec une résolution de 10-21
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8
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
Les effets des ondes gravitationnelles ne sont perceptibles que dans des conditions extrêmes de densité et de vitesse.
Ondes gravitationnelles
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Exemple de forme d’onde pour la phase spiralante avant coalescence d’étoiles binaires
chirp
Ondes gravitationnelles
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10
chirp
Ondes gravitationnelles
Exemple de forme d’onde pour la phase spiralante avant coalescence d’étoiles binaires
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11
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: P=14 sec)
• Coalescence dans ~ 3x108 années
P (s) 27906.9807807(9)
dP/dt -2.425(10)x10-12
d/dt (º/yr) 4.226628(18)
mp 1.442±0.003 M
mc 1.386±0.003 M
Ondes gravitationnelles
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12
Plan
I. Ondes gravitationnelles et géométrie de l’espace-tempsLa relativité générale : une théorie géométrique de la gravitationSources astrophysiques d’ondes gravitationnelles
II. Le transducteur : une cavité Fabry-Perot à miroirs suspendusbruitsmiroirs suspendus interféromètre de Michelson
III. Instruments construits et en projet
IV. Contrôle
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13
Pendule :ztop
zbottom
Qiz
z
020
2top
bottom
fff
f1
1~
~
Hz6.02
1
pend.0
L
gf
Fonction de transfert:
avec
Le transducteur : une cavité optique résonnante
MASSE INERTIELLE : 1/ filtrage du bruit sismique
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14
Pendule :
zbottom
QiMF
z
020
22
0bottom
bottom
fff
f1
1
)f2(
1~~
Hz6.02
1
pend.0
L
gf
Fonction de transfert:
avec
Note: pour f>f0, Fmirror() ~M2zmirror() masse inertielle, en “chute libre”
Le transducteur : une cavité optique résonnante
MASSE INERTIELLE : 2/ inertie
Fbottom
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15
stages2
0
seismic
mirror
f
f~
~ n
z
z
7stage n
Fonction de transfert :
avec
f > 10 Hz
F0
F3
F4
F5
F6
F7
Marionnette
COORDONNEES
Le transducteur : une cavité optique résonnante
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16
Mirror 2
Le transducteur : une cavité optique résonnante
Laser
Porteuse résonnante dans la cavité(modèle spectral scalaire)Bandes latérales non résonnantes
C
USBLSB
Mirror 1
E.O.modulator
~RF synthesizer
HorlogeTemps vol photon
C
US
BL
SB
HORLOGE ET PHOTONS
0f
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17
Le transducteur : une cavité optique résonnante
HORLOGE ET PHOTONS
Fonctions de transfert d’une cavité :
cLfimesPDHmeslPDH
mesefSfS /20,, 2
)()(
PPlasphmesPDH fiff
mJmJPKfS/1
11)1)(()(2)( 10,
- bruit de fréquence :
- bruit de longueur :
- bruit d’onde gravitationnelle :
/ISL)fsinc(
1)()(
mes
0,, 2
L
fSfS mesPDHmeslPDH
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5.1021 /s
1 kW @ 1.064 m
3.1011
= 288 THzFWHM = 1 kHz
Hz/10.511~ 23
/
sphnQ
h
METROLOGIE DU TEMPS
photons
résonateur
Densité spectrale de résolution :
f
amplitude réponse
Le transducteur : une cavité optique résonnante
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19
2
~~
0
h
Un bruit de fréquence du laser
est équivalent à une onde gravitationnelle : << >>
2.10-12/√Hz @ 200 Hz
Résolution souhaitée : h ~ 6 10-23 /√Hz @ 200 Hz
Bruit de fréquence typique (Nd:YAG): 0
~
Il manque un facteur 7.1010 !
BRUIT DE FREQUENCE
~
Le transducteur : une cavité optique résonnante
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20
Il manque un facteur 7.1010 !
Configuration Michelson : facteur ~100 Stabilisation de la fréquence : facteur > 108
laser
Bruit de fréquence additionnéO.G. non significative
O.G. s’additionnentBruit de fréquence partiellement annulé
Le transducteur : deux cavités optiques résonnantes
BRUIT DE FREQUENCE
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21
10 W
Slave laser
Masterlaser
Interféromètre de Michelson
Détection
500 W 8000 W
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22
Densité spectrale de la résolution de Virgo (Conception)
Bruits
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23
Plan
I. Ondes gravitationnelles et géométrie de l’espace-temps
II. Le transducteur : une cavité Fabry-Perot à miroirs suspendusbruitsinterféromètre de Michelson
III. Instruments construits et en projetv1. Virgo et LIGOv2. Advanced LIGO et Advanced VIRGOv3. Einstein Telescope
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24
TAMA300 m
4 & 2 km
4 km
3 km
600 m GEO
AIGO
Instruments
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25
16.7 W 10 W
1 – C = 9.10-7
1 – C = 3.10-4
Slave laser
Masterlaser
1 W
Instruments
Laser injecté :Puissance ET stabilité
Cavité de filtrage de mode :Filtrage des fluctuations de pointé
144 m
3000 m
3000 m
Cavité de filtrage de mode en sortie :Filtrage des photons parasites
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26
Instruments
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27
Instruments
Lobe d’antenne d’un interféromètre de Michelson de 3 km
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28
Instruments : perspectives
Advanced LIGO/Virgo 2ème génération ~2020
NS-NS: ~200 Mpc
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29
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
Interféromètres avancés - observatoires
Adv. LIGO
2e génération (<2020)
f
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30
Interféromètres avancés - observatoires
Advanced Virgo
2e génération (<2020)
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Interféromètres avancés - observatoires
Adv. LIGO
2e génération (<2020)
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32
Interféromètres avancés - observatoires
Adv. Virgo
Signal Recycling (SR)
Non degenerate rec. cavities
200W laser
Higher finesse3km FP cavities
Heavier mirrors
Waist in the cavity center
Larger central linksCryotraps
Monolithicsuspensions
Qcav = 5.6 1012
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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)
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34
Interféromètres avancés - observatoires
Analyse en réseau
Réseau LIGO
Virgo
Ad. LIGO, Pdet = 90% 230 MpcAd. LIGO-Virgo 270 Mpc
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35
Interféromètres avancésgénération 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) ?
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36
The end.