Upload
caroline-cuvelier
View
111
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
VIRGO
Vers des observatoires d’ondes gravitationnelles
Groupe du LAL:M-A Bizouard, V Brisson, F Cavalier, A-C Clapson, M Davier, P Hello,S Kreckelberg, N Leroy, M Varvella-Arnaud
• Prédites par la Relativité Générale d’Einstein.• Perturbations de l’espace-temps voyageant à la vitesse de la lumière.• Provoquées par des déplacements de masse.• Interaction très faible avec la matière.
L L + L
La déformation relative L/L est égale à leur amplitude h
Temps
Prédictions: h 10-21 pour une source astrophysique à 10 Mpc.
Physique: ondes gravitationnelles
L’existence des ondes gravitationnelles a été prouvée:Mesure de la perte d’énergie par émission d’ondes gravitationnelles.
• Pulsar binaire 1913+16: Système binaire d’étoiles à neutrons
• Précession des orbites
Diminution de la période orbitale
• Mesures en accord avec la prédiction de la Relativité Générale
• Taylor & Hulse, Prix Nobel 1993
Physique: ondes gravitationnelles
Diminution de période orbitale
Erreur < 3%0
Laser
Détecteur
• Réglage de l’interféromètre sur une frange noire: pas de lumière au détecteur.
• Une onde gravitationnelle change la longueur des chemins…
• Le détecteur reçoit une quantité de lumière proportionnelle à l’amplitude h.
)cos( 1 2
det
CPP in
• Mesure de h: variation d’une distance au cours du temps.
• Instrument de choix: interféromètre (expérience de Michelson et Morley)
• Principe: deux chemins optiques réglés pour l’interférence de l’onde,
une faible variation relative des longueurs modifie l’interférence.
Détection: principe
Laser
Miroir de fond M22
Miroir de fond M12
Lame Séparatrice Mbs
Expérience de table : hMin 10-17 Hz-1/2
Photo-détecteur
Miroir de Recyclage Mrc
Miroir d’entrée M11
Miroir d’entrée M21
Fabry-Perot 2
Fabry-Perot 1
Virgo : hMin 10-23 Hz-1/2
Détection: principe
Facteur limitant: bruit de photon.
Détection: que mesure-t-on?
Ordre de grandeur de h:mieux que 10-21 soit la taille d’un atome pour 150 Mkm.
Inaccessible en précision, mais pas en sensibilité.
Autocorrélation du processus x(t) :
2/
2/
)()( 1 ) ( lim T
Tx txtxdt
TTA
Densité spectrale de puissance : Sx( f ) = TF de Ax(t)
Si x(t) est un bruit, sa DSP donne la contributionde chaque fréquence au bruit total.
0
2 ) ( dffS x
Précision :
La sensibilité de la mesure pour un signal donnédétermine le rapport signal sur bruit :
df
fS
ftfh
h
)(
*)( )(
~~
2 h : mesuret : signal recherché
• S’isoler des variations de longueurs parasites (vibrations du sol)
• Mettre tout l’interféromètre sous vide poussé (fluctuations d’indice)
• Avoir un laser de fréquence et puissance stable (jours)
• Miroirs semi-transparents sans défauts (surface et masse)
• Maintenir (activement) l’interféromètre au
« point de fonctionnement »:
position relative des miroirs contrôlée à 10-10 mètre (statistique).
Détection: difficultés de mise en oeuvre
• LAL Orsay• LAPP Annecy• Observatoire de Nice• IPN Lyon• ESPCI Paris
• INFN Pise• INFN Florence• INFN Naples• INFN Pérouse• INFN Frascati• Univ. Rome• Collaboration franco-italienne lancée en 1989.
• Jusqu’à 50 physiciens et 150 ingénieurs.• Instrument installé près de Pise.• Interféromètre de 3 km ( 7000 m3 sous vide)• Construction terminée fin 2003.
VIRGO
VIRGO
VIRGO: suspension des miroirs
Performances des suspensions:
• mouvement des miroirs de l’ordre du micron• vitesse de quelques microns par seconde
Contrepartie: Bruit thermique
Chaque fil de suspension (ou miroir) est un oscillateur excité par l’agitation thermique.
• Caractérisation: 0 et Q facteur de qualité• Mesures de Q :
• silice : 106
• fils d’acier : 104 – 105
• pendule : 107
• Facteur limitant entre 3 et 500 Hz• Miroir de 30 kg (bruit quand M )• Recherche:
• Nouveaux matériaux (saphir)• Suspensions monolithiques
Bruit dephoton
VIRGO: courbe de sensibilité
Bruit sismique
Bruit thermique
Résonances
VIRGO: courbe de sensibilité
VIRGO: Etat des lieux
• VIRGO fonctionne (presque)– Configuration optique contrôlée (11 / 2004).– Robustesse des contrôles à améliorer.– Bruits instrumentaux à réduire.
• R&D– Cryogénie.– Nouveaux matériaux.– Configurations optiques (recyclage du signal, tout réflectif)
• Analyse– Méthodes testées en bruit stationnaire.– Transition vers les données réelles en cours.– Nouvelles méthodes.– Préparation de l’analyse en réseau.
Physique: signaux attendus
Coalescence binaire
Plus les objets compacts isolés, dont les trous noirs…
Distance de détection SN Fréquence d’occurrence SN
Détection: efforts (inter)nationaux
Spécificité des instruments:• Diagrammes d’antenne. • Orientation.• Sources de bruit locales.
Couverture du ciel:Analyse cohérente.
Détection non confirmée difficile à exploiter.
Possibilités de corrélation:• Observatoires astronomiques?• Détecteurs de particules?• Autres détecteurs d’ondes gravitationnelles.
Conclusion
• Plusieurs instruments en fonctionnement.• Pas encore de détection.
• Virgo bientôt opérationnel.• Champ de détection Galaxie-Amas de la Vierge.
• Ondes gravitationnelles attendues de plusieurs types d’objets astrophysiques.
• Limitations: distance et taux des événements.