Ondes Gravitationnelles Prospective Frdrique MARION Journes de prospective

Ondes Gravitationnelles Prospective Frédérique MARION Journées de prospective IN 2 P 3 / DAPNIA 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA

Plan l l Les enjeux de la détection des ondes gravitationnelles Les sources u détecteurs terrestres / détecteurs spatiaux l l L’implication de l’IN 2 P 3 L’avancement de Virgo u le commissioning u l’analyse des données l l Le réseau mondial de détecteurs terrestres Les upgrades de Virgo Vers un nouvel interféromètre européen? LISA 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 2

Les enjeux l Tester la description de la gravitation par la Relativité Générale u Mise en évidence expérimentale directe de l’existence des OG u Vérification de leurs propriétés : vitesse de propagation, polarisation u Phénomènes extrêmes : champ fort, effets non linéaires, observation de trous noirs l Un nouvel outil pour l’astrophysique et la cosmologie u dynamique d’une supernova u lois régissant les étoiles à neutrons u formation d’un trou noir u sources « chandelles standard » visible à distance cosmologique par des interféromètres de deuxième génération u Univers à l’ère de Planck? (détecteurs spatiaux) 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 3

Sources : détecteurs terrestres l Sources continues u Étoiles à neutrons en rotation » » l objets communs amplitude difficile à prédire (limites sup. ) intégration du signal souvent en système binaire Sources impulsives u Supernovae » amplitude incertaine » Phénomène rare : 3 - 4 10 -2 / an dans la Galaxie u Coalescences de systèmes binaires d’objets compacts » NS-NS, NS-BH, BH-BH » sources détectables hors de la Galaxie » taux d’événements? u Sources inconnues » phénomènes violents, GRB? Détection non assurée pour les interféromètres de 1ère génération 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 4

Coalescences binaires : taux d’événements l Modèles d’évolution stellaire u Taux de coalescences NS-NS, NS-BH, BH-BH u 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 l Analyse statistique u Uniquement NS-NS u Prédictions « pessimistes » (limites inférieures) » 1 – 30 · 10 -6 / an dans la Galaxie (ancienne valeur) Rdet (ini. LIGO) (yr-1) Rdet (adv. LIGO) (yr-1) u Un nouveau système découvert » révision à la hausse du taux NS-NS » prédiction encore très incertaine 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 5

Sources : détecteurs spatiaux l Une autre gamme de fréquence u [10 -4 - 1] Hz l D’autres sources u Étoiles binaires compactes u Coalescences de trous noirs binaires massifs u Fond primordial d’OG? l l Une détection assurée Complémentarité avec les détecteurs terrestres 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 6

L’implication de l’IN 2 P 3 dans Virgo l LAL u Tube à vide et pompage u Global Control & locking u Analyse des données » bursts l LAPP u Enceintes à vide ( « bas de tour » ) u Système de détection u Acquisition des données u Commissioning u Analyse des données » Coalescences binaires » Pulsars en système binaire l LMA (IPNL) u Traitement de miroirs ( « coatings » ) 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 7

Virgo : CITF l Étape décisive dans l’avancement de Virgo u septembre 2001 juillet 2002 u nombreux points communs avec Virgo l Évolution de la sensibilité avec la configuration u E 0/E 1 : Michelson simple u E 2 : Michelson recyclé u E 3 : + alignement automatique u E 4 : + système d’injection final l Des résultats probants u Fiabilité des contrôles u Courbe de sensibilité comprise 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 8

Virgo : commissioning (I) l l Démarrage à l’été 2003 Contrôle du bras nord u octobre 2003 l Contrôle du bras ouest u décembre 2003 l Interféromètre recombiné u mars 2004 l l Quatre runs techniques Caractérisation de la sensibilité courante du détecteur 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 9

Virgo : commissioning (II) l Vers un interféromètre recyclé u « étape 2 » maîtrisée u « étape 3 » maîtrisée u étape finale : travail en cours u run C 5 en mode recyclé en novembre ? l Modification du banc d’injection u problème de lumière retro-diffusée vers le mode-cleaner d’entrée u solution temporaire mise en œuvre u nouveau design en cours l Vers la sensibilité nominale u premier run à sensibilité « raisonnable » en 2005 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 10

Virgo : analyse des données (I) l Bursts u forme d’onde mal connue méthodes d’analyse robustes et variées l Coalescences binaires u forme d’onde bien connue filtrage adapté u espace des paramètres grand méthodes de pavage u méthodes d’analyse efficaces analyse multi-bandes u méthodes de veto u extraction des paramètres de la source 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 11

Virgo : analyse des données (II) l Pulsars u Effet Doppler dû au mouvement du détecteur » espace des paramètres gigantesque pour recherche aveugle » recherche limitée par les moyens de calcul u Cas particulier des pulsars en système binaire » méthode spécifique » accord Virgo-Nautilus pour tester la méthode sur les données de ce détecteur résonnant italien l Fonds stochastiques u Nécessite deux détecteurs u Activité en développement (peu de manpower) 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 12

Virgo : mise en œuvre de l’analyse l l Calibration / Reconstruction Analyse des données des runs techniques u investigations liées au commissioning u préparation de la recherche d’événements / procédures de veto l Mock Data Challenges (MDC) u données simulées (bruits et événements) » bursts et coalescences binaires u mise au point et test du pipeline d’analyse u 6 MDC entre mars 2003 et juin 2004 l Injections d’événements « software » et « hardware » u run C 4 l Moyens de calcul u analyse online : Cascina u analyse offline et simulation : centres nationaux (Lyon et Bologne) 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 13

Réseau mondial : avancement de LIGO l Trois interféromètres opérationnels l Commissioning entamé en 1999 u Lente progression vers la sensibilité nominale l Premières prises de données scientifiques S 1 S 2 S 3 u S 1, août - septembre 2002 » premières limites supérieures u S 2, mars - avril 2003 u S 3, novembre 2003 - janvier 2004 » un facteur 2 -3 de la sensibilité nominale ! u Run de 6 mois en 2005 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 14

Réseau mondial : vers un observatoire l l Analyses combinées nécessaires pour extraire toutes les informations possibles sur la source Multiples accords bilatéraux établis ou en cours u LIGO – GEO : GEO LSC (LIGO Scientific Collaboration) u LIGO – TAMA : MOU u Virgo – barres italiennes : MOU ou discussions en cours u Virgo – GEO : discussions dans le cadre du réseau européen ILIAS u… l Virgo – LIGO u MOU en cours de négociation u 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 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 15

Virgo : upgrades l l Perspectives de détection limitées pour les interféromètres de 1ère génération Nécessité d’une amélioration majeure de la sensibilité à l’horizon 2008 -2009 u Advanced Ligo : installation en 2007 -2008 observations en 2009 l Advanced LIGO Divers R&D en cours dans ou autour de Virgo u R&D récents en général l Définition d’un plan d’upgrades u Graduels u Obtenir au moins un facteur 10 sur toute la bande de fréquence en 2009 l Discussion entamée dans la collaboration u « working group » nommé, doit aboutir d’ici ~ 6 mois 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 16

Upgrades : bruit sismique l Super-atténuateurs de Virgo répondent déjà aux critères d’un interféromètre de deuxième génération l Adaptations techniques aux modifications du dernier étage 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 17

Upgrades : bruit thermique pendulaire l Dernier étage moins dissipatif : suspension monolithique (silice) u R&D ancien dans Virgo u Faisabilité démontrée dans GEO l Problèmes corollaires u actionneurs électrostatiques u upgrade du système de contrôle 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 18

Upgrades : bruit thermique du miroir l l l Déterminant pour un détecteur avancé Plusieurs phénomènes en cause Substrat u choisir le bon matériau u optimiser la géométrie u modifier le profil des faisceaux l Coatings u R&D en cours 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 19

Upgrades : bruit de photons Deux types de solutions l Laser de forte puissance u Faisabilité démontrée par R&D GEO u R&D nécessaire sur effets thermiques l Recyclage du signal u Pas d’effets thermiques u Complexité du schéma de contrôle 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 20

Au delà de « Advanced Virgo » l Quoi u Un nouvel interféromètre l Qui u L’ensemble de la communauté européenne u Virgo + GEO + … l Quand u Horizon 2010 - 2015 l Comment u Un deuxième interféromètre dans le tube de Virgo? u Souterrain ? u Cryogénique ? u Dépassement des limites quantiques ? l Avec quels moyens u Proposition de « design study » en mars 2004, dans le cadre de l’appel d’offre européen FP 6 proposition rejetée ? ? 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 21

LISA l l l Orbite héliocentrique Trois satellites distants de 5. 106 km Projet piloté conjointement par l’ESA et la NASA u Contrat avec Astrium pour les satellites l l Lancement prévu en 2013 Déjà des réflexions pour étendre la sensibilité de LISA à plus basse fréquence! u et une proposition pour un autre interféromètre spatial complétant la couverture du spectre entre LISA et les détecteurs terrestres 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 22

LISA Pathfinder l Mission de démonstration technologique u Capteurs inertiels (accéléromètres) u Compensation de traînée u Système optique l l Approuvé en novembre 2003 Lancement prévu en novembre 2007 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 23

LISA France l Lettre d’intention en mai 2004 u Groupes français théoriques et expérimentaux u IN 2 P 3 : APC, LAPP + LPSC depuis u Artemis (observatoire Côte d’Azur) u IAP u LUTH & SYRTE (observatoire Paris-Meudon) l LISA Pathfinder u Modulateur acousto-optique (APC) l LISA u Analyse de données u Développements théoriques (sources) 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 24

Conclusions l Détecteurs de 1ère génération u LIGO à un facteur 2 – 3 de sa sensibilité nominale u 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 u Perspectives de détection limitées l Détecteurs de 2ème génération u u l 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 u LISA Pathfinder en 2007 u LISA en 2013 u LISA France en développement 12 octobre 2004 Journées de prospective IN 2 P 3/DAPNIA 25