Phase 0 eLISA/NGO DPCConclusion, CNES, 23 janvier 2014

Pierre Binétruy, APC, Paris

La mission eLISA/NGO

onde gravitationnelle: propagation d’une déformation de l’espace-temps, due au déplacement rapide de matière (comme dans des explosions)

Couplent très faiblement à la matière donc difficiles à détecter mais non perturbées par la matière rencontréeSe propagent à la vitesse c de la lumière

Amplitude des ondes gravitationnelles:

h = L

Variation de longueur due à l’onde gravitationelle

Longueur totale

Exemples:

• explosion de supernova dans l’amas de Virgo (15Mpc): h=10-21 à 10-24

• système binaire de deux trous noirs (M=1,4M) à 10 Mpc: h=10-22 à 10-23

L

L L

Comment mesurer des variations relatives de distance de l’ordre de 10-21 à 10-24 ?

Utiliser l’interférometrie

Albert Michelson comptant des franges d’interférence

Michelson-Morley (1887)

Sensibilité ΔL = 6. 10-10 m

Fréquence f de l’onde gravitationnelle ~ √M/R3

Etoiles à neutrons (M ~ 1,4M☉) : f ~ 100 Hz

taille ~ 3000 km

Trous noirs supermassifs (M ~ 106 M☉) : f ~ 10-4 à 10-2 Hz

taille ~ 30 million km

(loi de Kepler pour les systèmes binaires)

Interferomètresterrestres

eLISA

Quelle taille pour les détecteurs? Taille ~ longueur d’onde de l’onde gravitationnelle ~ c/f

Le spectre de fréquence des ondes gravitationnelles

1 Mkm

Principe de détection des ondes gravitationnelles dans l’espace (LISA)

géodésique géodésique

Mesure interférométrique des variations relatives de distance dues au passage d’ondes gravitationnelles

5 Mkm

Identifier des variations relatives de distance entre les deux masses

géodésique géodésique

5 Mkm⏎

satellite protège la masse test

⏎

⏎⏎⏎

⏎

⏎⏎

⏎

Principe de détection des ondes gravitationnelles dans l’espace (LISA)

Identifier des variations relatives de distance entre les deux masses

Note: concept remonte aux années 1990; récente étude de la NASA selon laquellececi reste le seul concept réaliste dans un futur envisageable (deux prochaines décennies)

géodésique géodésique

5 Mkm⏎⏎

⏎⏎⏎

⏎

⏎⏎

⏎

30 cm

LISAPathfinder

⏎

⏎

⏎

⏎

Principe de détection des ondes gravitationnelles dans l’espace (LISA)

Mission technologique LISAPathfinder: lancement mi-2015

Interféromètre de Michelson

Mission (européenne) eLISA/NGOCoût estimé par ESA: CaC ~ 1.2 B€

Satellite (mère ou fille)

Peut accommoder tous types de micropropulseurs(gaz froids, FEEPs, MiniRITs):

mère fille

La science d’eLISA

Les sources binaires ultra-compactes (identiques au pulsar de Hulse-Taylor)

Incluent les «binaires de vérification» cad des sources garanties d’ondes gravitationnelles

Binaires de vérification

autres binaires

Trous noirs supermassifs

On a constaté l’existence de trous noirs supermassifs au centre des galaxies

Notre propre Voie Lactée: Sagittarius A* a 3 million M☉

infrared

infrarouge

radio

Exemples de collisions de galaxies observés à différents temps :

A. Petiteau

Test de la gravité en régime fort

Plongeon Fusion Ringdown

RG: approximation postNewtonienne

RG: relativité numerique

Théorie de perturbation

LGW = 1023 L

21

Red

shift

Z

Mass [log M/M☉]

eLISA

SNR

Astronomie des trous noirs supermassifs dans les années 2020

SKA, Pulsar Timing

Futurs Obs.EM LSST, JWST, EELT,

Rayons X

ET (proposed)

aLIGO, aVIRGO,KAGRA

Dist

ance

(en

déca

lage

spe

ctra

l)

EMRI (Extreme Mass Ratio Inspiral)

Ondes gravitationnelles produites par des objets massifs (étoiles ou trous noirs demasse 10 to 100 M) tombant dans l’horizon d’un trou noir supermassif. Permet d’identifier de façon unique la géométrie de l’espace-temps proche du trou noir

Les trous noirs sont des singularités (densité infinie) protégées par un horizon

Trounoir

Horizon

matière

lumière

L’objet « léger » cycle quelques 105 fois autour du trou noir avant plonger dans l’horizon du trou noir supermassifPermet d’arpenter l’espace-temps proche du trou noir.

Fonds cosmologiques

eLISA recherchera les phénomènes violents (tels que transitions de phase) qui se passent pen-dant les époques très primordiales de l’Univers, quand l’énergie en jeu était de 0.1 to 1000 TeV.

BIG BANG

Complémentaire au LHC

Analyse des données

Défi: signaux en provenance de tout l’Univers avec un grand rapport signal/bruitComment les séparer?

(≠ interférometres terrestres)

progrès important ces dernières années dans les méthodes d’analyse grâce au Mock LISA Data Challenge

• 4 trous noirs supermassifs• 5 EMRI• 26.1 million binaires galactiques• bruit instrumental

?

SE lead

Data Centre

Le consortium eLISA

Website eLISA

https://www.elisascience.org/

Traitement des données: la vue de l’ESA en 2012

consortium

« Cosmic Vision » 2015-2035

L2 L3

BEPI COLOMBOJUICE

M7

M4

M6

M3

M5

Solar Orbiter

EUCLID

S1,…M d’Op

L1M1

M2

JWST

C:2014,L:2026

L:2024 L:2020

L:2022

C:2018,L:2030

C:2020,L:2032C:2022,L:2035

C:2014,L:2028 C:2020,L:2034

Statut de la mission eLISA M: 0.5 B€, L: 1.5 B€

ESA a réuni un Senior Survey Committee* pour identifier les thèmes scientifiquesdes missions L2 et L3• L2 lancement estimé en 2028• L3 lancement estimé en 2034Le mandat était d’identifier un thème pour L2 et un thème pour L3

*Catherine Cesarsky (présidente)W. Benz (CH, président SSAC), S. Bertolucci (I, CERN), G. Bignami (I, INAF), T. Encrenaz (F, Observatoire), R. Genzel (G, MPE),J. Spyromillo (ESO), J. Zarnecki (UK, Londres)

Appel à thèmes scientifiques de L2/L3

32 « white papers » reçus

White paper : soutenu par plus de 1200 scientifiques

Document de l’ESA HQ au SPC (28-29 novembre)

L3

Réunion du consortium board (8 janvier 2014)

• Discussion d’un plan d’action pour les prochaines années • Revue de la situation internationale (en présence de nos collègues US)• Discussion sur la phase 0 DPC: intérêt marqué pour la mise en place précoce d’une « reference platform » en liaison avec les MLDC etles données des interféromètres au sol.

Roadmap for eLISA• eLISA Science Theme selected as L3 in 2013• Technology Roadmap work 2013 – 2015 • Possibly continued Mission Concept Study 2014 – 2015• Successful LISA Pathfinder flight in 2015

– Assessment of technology status– Possibly additional work, e.g. breadboarding

of Payload + (1 to 4) years• Selection of Mission Concept in 2015 + (1 to 4)• Possibly Start EQM of complete Payload 2015 + (2 to 5)• Start of Industrial Definition Study 2015 + (2 to 5)• Start of Industrial Implementation 2015 + (6 to 9)• Launch in 2015 + (15 to 18)

38

ESA

Mise en place dans les mois qui viennent d’une Science Team d’une dizaine de membres (incluant probablement une participation US) qui, en particulier, passera en revue les technologies envisageables pour la mission L3 et lesdéveloppements techniques nécessaires.

Conclusions

La confirmation du thème « L’Univers gravitationnel » est aussi une confirmation de la mission eLISA (seul concept réalisable dans un avenir raisonnable). Prochaines étapes clefs:• lancement de LISAPathfinder en 2015, qui déterminera la suite du calendrier• découverte des ondes gravitationnelles par les détecteurs terrestres probablement avant 2020

Une très large communauté derrière la mission eLISA qui ouvrira une toutenouvelle fenêtre sur l’Univers.

La France a une position stratégique avec le centre de traitement des données etl’intégration. Elle doit garder une longueur d’avance dans ces domaines pour préservercette position.

LISA-France, l’APC et le Centre François Arago

Les laboratoires de LISA-France:

• APC, Paris• ARTEMIS, Observatoire de la Cote d’Azur• Institut de Physique Théorique, CEA, Saclay• IAP, Paris• LAPP, Annecy-le-Vieux• LPCEE, Orléans• LUTh, Observatoire de Paris

44

269

230

2518

Total: 136 (81 permanents + 30 Ph.D. + 25 postdocs)

ingénieurs, techniciens et personnel administratif

Total: 62 (44 permanents + 18 non permanents)

APC en quelques chiffres:

Quatre tutelles:

HESSCTA LAGUNA

LISALISApathfinder

Euclid

BOSS

LSSTPlanck

AntaresKm3Net

Les grands projets de l’IN2P3 Le spatial

R&D millim.

QUBIC

Préparant le futur

Virgo

DarkSide

TARA

NIS

Téle

scop

e Co

mpt

on

SVO

M

JEM

-EU

SO/b

allo

n

INTEGRAL

X-Shooter

DoubleChooz

Borexino

Programme scientifique de l’APC

François Arago Centre (FACe)

Centre de traitement des données multi-missions

IN2P3/action structurante Paris Diderot

ORGANIGRAMMEFRANCOIS ARAGO CENTRE

DIRECTEURPIERRE BINÉTRUY

RESPONSABLE TECHNIQUEM. DETOURNAYIR – CNRS

ADJOINT RESPONSABLE TECHNIQUES. DONG IE – P7

RESPONSABLE SCIENTIFIQUEV. BECKMANNIR1 -CNRS

LISA PATHFINDERE. PLAGNOLDR-CNRS

INTEGRALF. LEBRUNICEA

EUCLID / LSSTE. AUBOURGICEA

PLANCKY. GIRAUD HERAUDDR-CNRS

ASR Serveurspostes de travail

S. DONG IE – P7

LISAE. PORTERCR- CNRS

SECRETARIATA.GUETT – P7

ALGORITHMIEAdmin.ClusterM. LE JEUNEIR - CNRS

SUPPORT LogicielsN………AI

L.FERRAIOLI.CDD – IR - CNES

N…….CDD - CNES

K. KRETSCHMERCDD – CNES

V. Savchenkow.CDD - CNES

A. PETITEAU MC UP7

V.BECKMANNCDD DR CNRS

G. PfeifferCDD - CNES

M. LE JEUNEIR CNRS

CLOUDC. CAVETCDD IR - LABEX

Grille

J.M. ColleyIR-CNRS

F. DODUIGR P7

N..........IR – 2013

13/09/12

ASR ClustersS.Dong IE-P7

M.DetournayIR-CNRSDATA access/web

P.YU IE - CNRS

GESTIONL.DAVILATCN - CNRS

SUPPORT multimedia N…….IE

S. ZAPPINOAI- CDD CNRS

MULTIMEDIA Web Conférence(Cosmovia) M.KhlopovCDD CR CNRS

Concurrent Design Facilities

H.HalloinEnseignant Chercheur -Paris 7

• traitement des données INTEGRAL• centre de données externes pour LISAPathfinder(2015-2016)• centre de données pour mission eLISA• plate-forme de développement de codes pourtoute la collaboration Euclid• rôle en discussion pour LSST• traitement des données hors sursaut pour SVOM(en discussion)• centre de mission pour le sismomètre SEIS d’INSIGHT(en discussion)

connection privilégiée au Centre de Calcul de l’IN2P3