VIRGO Une Nouvelle Fentre Sur LUnivers Les ondes

VIRGO Une Nouvelle Fenêtre Sur L’Univers • Les ondes gravitationnelles • Comment les détecter ? • Le défi technologique de VIRGO Cavalier Fabien Lycée Romain Rolland, Ivry 16 Novembre 2012

Les Ondes Gravitationnelles Astronomie : } • Ondes Radio • Infrarouge • Visible • Ultraviolet • Rayons X • Rayons g 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

Effet du passage d’une onde gravitationnelle L L + DL Temps La déformation relative DL/L est égale à leur amplitude h

Une expérience de Hertz ? source distance h P (W) Barre d’acier, 500 T, = 2 m L = 20 m, 5 tours/s 1 m 2 x 10 -34 10 -29 Bombe H 1 mégatonne Asymétrie 10% 10 km 2 x 10 -39 10 -11 Formule du Quadrupole : G/5 c 5 ~10 -53 W-1 Moment Quadrupolaire : quantifie l’écart à la symétrie sphérique

“G/c 5 very small, c 5/G will be better” © J. Weber (1974) • e 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 cataclysmiques peuvent 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 1 pc = 3, 26 année-lumière

Coalescence d’étoiles à neutrons Pulsars • Coalescence de trous noirs • Désexcitation d’un trou noir • Reliques du Big-Bang Supernovae

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 • Diminution en accord avec la prédiction de la Relativité Générale (perte d’énergie par émission d’ondes gravitationnelles) • Taylor & Hulse, Prix Nobel 1993

Pourquoi détecter les ondes gravitationnelles ? • Tester la Relativité Générale dans un nouveau domaine • Voir directement des trous noirs • Accéder à des états extrêmes de la matière • Faire de la cosmologie Problème de l’astronomie gravitationnelle le détecteur n’est pas directionnel, il faut au moins trois détecteurs pour déterminer la position de la source

Comment Les Détecter ? Il faut mesurer des longueurs avec une précision relative de 10 -21 une distance de l ’ordre de 150 millions de kilomètres mesurée à un atome près Terre Soleil

La détection interférométrique Miroir Chemin 2 L’Interféromètre de Michelson Miroir Semi-réfléchissant Laser Chemin 1 Miroir Détecteur de lumière

1, 064 mm Faisceau Chemin 1 Faisceau Chemin 2 Total : interférence constructive Temps Le détecteur de lumière voit la somme des deux faisceaux

Faisceau Chemin 1 Faisceau Chemin 2 Total : interférence destructive appelée frange noire Temps L’état d ’interférence dépend de la différence de longueur entre les deux chemins

• 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

La détection interférométrique en pratique Miroir de fond M 22 Expérience de table : h. Min 10 -15 Fabry-Perot 2 Virgo : h. Min 10 -21 Miroir d’entrée M 21 Miroir de Recyclage Mrc Fabry-Perot 1 Laser Lame Séparatrice Mbs Miroir d’entrée M 11 Détecteur de lumière Miroir de fond M 12

Les interféromètres dans le monde LIGO Hanford : 2 ITF (4 km et 2 km) GEO, Hannovre, 600 m LIGO India? Virgo, Cascina, 3 km TAMA, Tokyo, 300 m LCGT dans la mine de Kamioka LIGO Livingston, 4 km AIGO R&D 4/18

Le Défi Technologique de VIRGO • S’isoler des vibrations du sol • Mettre tout l’interféromètre ( 7000 m 3 ) 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 msecondes) que l’interféromètre est à son point de fonctionnement nominal

Le Super-Atténuateur

Le Super-Atténuateur

Le Super-Atténuateur

Le Vide Les Tours Le Tube 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 l/40 sur 30 cm de diamètre Solution : miroirs en silice (Si. O 2) = 35 cm et h = 10 ou 20 cm

La mise au point du détecteur

Où en est-on aujourd’hui? Première génération (2001 -2008) • Infrastructure mise en place • Sensibilité de design atteinte • Limites supérieures sur les taux d’événements • Pas de détection Enhanced LIGO/Virgo+ Virgo/LIGO Enhanced Detectors (2009 -2011) 108 ly • Sensibilité améliorée d’un facteur 2 -3 • Utilisation des certaines technologies « Advanced » • Des surprises étaient possibles pas toujours pas de détection Advanced Detectors (2011 -2020) • Sensibilité améliorée d’un facteur 10 par rapport à la première génération • Volume d’Univers visible augmenté d’un facteur 1000 • 10 -100 événements par an ? Troisième Génération (>2017) Adv. Virgo/Adv. LIGO/LCGT • Gain d’un facteur 100 comparé à la première Credit: R. Powell, B. Berger

Un exemple de résultat astrophysique GRB 070201 • On pense que les GRB (Gamma-Ray Burst) courts sont associés avec des coalescences d’étoiles binaires • Position du GRB compatible avec la galaxie d’Andromède M 31 (D=760 kpc) • Signal d’ondes gravitationnelles facilement détectable exclu à 99 %

La détection dans l’espace • Un interféromètre avec des bras de 5 millions de kilomètres • LISA Pathfinder – décollage prévu en 2014 : tests des certaines technologies de LISA • Lancement de LISA pas encore fixé

Conclusion • Les Ondes Gravitationnelles existent • Elles seront détectées directement au 21 eme 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 ont été obtenues • Prochaine génération en cours de construction : première détection assurée ? !

Une histoire sans fin ? The future of gravitational astronomy looks bright. 1972 That the quest ultimately will succeed seems almost assured. The only question is when, and with how much further effort. 1983 [I]nterferometers should detect the first waves in 2001 or several years thereafter (…) 1995 Km-scale laser interferometers are now coming on-line, and it seems very likely that they will detect mergers of compact binaries within the next 7 years, and possibly much sooner. 2002 Kip S. Thorne