A la Recherche des Ondes Gravitationnelles

Cavalier Fabien

• Les ondes gravitationnelles• Quelles Sources ?• La détection interférométrique• Les premiers résultats• LISA

Les Ondes Gravitationnelles

Astronomie : • Ondes Radio• Infrarouge• Visible• Ultraviolet• Rayons X• Rayons

}Ondes électromagnétiques émises par des

charges électriques en mouvement

ou des réactions nucléaires

Les Ondes Gravitationnelles sont émises par des masses en mouvement

Relativité Générale d'Einstein« La matière indique à l'espace-temps comment se courber, l'espace-temps indique à la matière comment se déplacer »J.A. Wheeler

Un objet massif courbe l’espace-temps Un objet se déplace dans l'espace-temps courbé par les autres objets

• Les ondes gravitationnelles sont prédites par la Relativité Générale d’Einstein• Ce sont des perturbations de l ’espace-temps (analogues aux vagues de la mer)• Elles voyagent à la vitesse de la lumière• Elles peuvent traverser des millions d’années-lumière sans être absorbées par la matière

L L + L

La déformation relative L/L est égale à leur amplitude h

Temps

Effet du passage d’une onde gravitationnelle

Une expérience de Hertz ?

source distance h P (W)

Barre d’acier, 500 T, = 2 m

L = 20 m, 5 tours/s

1 m 2x10-34 10-29

Bombe H 1 mégatonne

Asymétrie 10%

10 km 2x10-39 10-11

Formule du Quadrupole : QQc

GP

5

5

G/5c5 ~10-53 W-1Moment Quadrupolaire : quantifie l’écart à la symétrie sphérique

“G/c5 very small, c5/G will be better” © J. Weber (1974)

6

6

2

22

5

5

c

v

R

R

G

cP S

• asymétrie de la source

• Rs rayon de Schwarzschild de la source• R rayon de la source • v vitesse typique de la source Taille du trou noir

qui aurait la masse de la source

Seuls les phénomènes astrophysiques cataclysmiquespeuvent émettre des ondes gravitationnelles détectables

source distance h P (W)

Supernova 10 M asymétrie 3% 10 Mpc 10-21 1044

Coalescence de 2 trous noirs de 1 M 10 Mpc 10-20 1050

1pc = 3,26 année-lumière

Les Supernovae gravitationnelles

• Étoile massive en fin de vie• Cœur de fer qui ne peut plus compenser son poids• Effondrement rapide pour former une étoile à neutron

Coalescence d’étoiles à neutrons

Coalescence de trous noirs et désexcitation

d’un trou noir

Pulsars

L’existence des ondes gravitationnelles a été prouvée indirectement

• Pulsar 1913+16: système binaire d’étoiles à neutrons en orbite l’une autour de l’autre

• Diminution de la période orbitale (Séparation ~106 km, Diminution de 3mm/orbite(8h))

• Diminution en accord avec la prédiction de la Relativité Générale (perte d’énergie par émission d’ondes gravitationnelles)

• Taylor & Hulse, Prix Nobel 1993

Les sources d’Ondes Gravitationnelles

LIGO, Virgo

Comment Les Détecter ?

Il faut mesurer des longueurs avec une précision relative de 10-21

Terre

Soleil

une distance de l ’ordre de150 millions de kilomètres

mesurée à un atome près

La détection : Rappel Historique

1960 Premier détecteur(Weber)1963 Idée d’un détecteur ITF(Gersenshtein&Pustovoit, Weber)1969 Première fausse alarme (Weber)197X Age d’or des détecteurs type Weber1972 Faisabilité de l’ITF (Weiss) et premier prototype (Forward)1974 PSR1913+16 (Hulse&Taylor)Fin 70s Barres à 4K, prototypes ITF(Glasgow, Garching, Caltech)1980 Premières activités in France1989 proposal VIRGO, proposal LIGO (USA)Fin 2005 LIGO à sa sensibilité nominale2007 VIRGO quasiment à sa sensibilité nominale2009-2011 Enhanced LIGO et Virgo +2015 Advanced LIGO et Advanced Virgo

Laser

Miroir

Miroir

Miroir Semi-réfléchissant

Détecteur de lumière

L’Interféromètre de Michelson

Chemin 1

Chemin 2

La détection interférométrique

Le détecteur de lumière voit la somme des deux faisceaux

Faisceau Chemin 1

Faisceau Chemin 2

Total : interférence constructive

Temps

1,064 m

Faisceau Chemin 1

Faisceau Chemin 2

Total : interférence destructive appelée frange noire

L’état d ’interférence dépend de la différence de longueur entre les deux chemins

Temps

• Réglons l’interféromètre sur une frange noire

• Une onde gravitationnelle va changer la longueur des chemins

• Le détecteur va recevoir de la lumière

• La quantité de lumière est proportionnelle à l’amplitude h

Laser

Miroir de fond M22

Miroir de fond M12

Lame Séparatrice Mbs

Expérience de table : hMin 10-15

PLhMin 11

Détecteur de lumière

Miroir de Recyclage Mrc

Miroir d’entrée M11

Miroir d’entrée M21

Fabry-Perot 2

Fabry-Perot 1

Virgo : hMin 10-21

La détection interférométrique en pratique

Les interféromètres dans le monde

GEOTAMA

AIGO

VIRGOLIGO

3 ITF kilométriques:• VIRGO (3 km)• LIGO (2 antennes 4 km + 1 antenne 2 km)

VIRGO

• S’isoler des vibrations du sol

• Mettre tout l ’interféromètre ( 7000 m3 ) sous vide (P = 10-9 mbar)

• Avoir un laser dont la fréquence et la puissance sont stables 24 heures sur 24

• Avoir des miroirs dont la qualité est à la limite des techniques actuelles

• Contrôler en permanence ( typiquement toutes les 100 secondes) que

l’interféromètre est à son point de fonctionnement nominal

Les Difficultés Techniques

Le Super-Atténuateur

Le Super-Atténuateur

Le Super-Atténuateur

Le Super-Atténuateur

Les Performances

• amplitude du mouvement des miroirs de l’ordre du micron• vitesse de quelques microns par seconde

Le Super-Atténuateur

Le Vide Le TubeLes Tours

Les Vannes

Les miroirs

• Réflectivités définies à mieux que 0,01 %• Réflectivités miroirs d’extrémité > 0.9998• Pertes (absorption, diffusion) de l’ordre de quelques ppm• Rayon de courbure élevé (3400 m) et défini à 3 % près• Surface définie à /40 sur 30 cm de diamètre

Solution : miroirs en silice (SiO2) = 35 cm et h = 10 ou 20 cm

La Sensibilité nominale de Virgo

Si tous les bruits technologiques sont contrôlés

La mise au point du détecteur

Le réseau mondial de détecteurs

La prochaine génération : Advanced Virgo

Gagner un facteur 10 sur toute la gamme de fréquence

Gain de facteur 1000 sur le volume d’univers observé

La détection dans l’espace

• LISA Pathfinder – décollage prévu en 2011 : tests des certaines technologies de LISA

• Lancement de LISA pas encore fixé

L’orbite de LISA

La configuration optique

Conclusion• Les Ondes Gravitationnelles existent

• Elles seront détectées directement au 21eme siècle

• Elles dévoileront de nouveaux phénomènes astrophysiques

• La première génération d’interféromètres a atteint la sensibilité prévue

• Pas de première détection mais les premières limites astrophysiquement intéressantes sont en train de sortir

• Prochaine génération en cours de construction : première détection assurée ?!