Ondes Gravitationnelles Prospective

1. Ondes GravitationnellesProspective Frédérique MARION Journées de prospective IN2P3 / DAPNIA 12 octobre 2004

2. Plan • Les enjeux de la détection des ondes gravitationnelles • Les sources • détecteurs terrestres / détecteurs spatiaux • L’implication de l’IN2P3 • L’avancement de Virgo • le commissioning • l’analyse des données • Le réseau mondial de détecteurs terrestres • Les upgrades de Virgo • Vers un nouvel interféromètre européen? • LISA Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

3. Les enjeux • Tester la description de la gravitation par la Relativité Générale • Mise en évidence expérimentale directe de l’existence des OG • Vérification de leurs propriétés : vitesse de propagation, polarisation • Phénomènes extrêmes : champ fort, effets non linéaires, observation de trous noirs • Un nouvel outil pour l’astrophysique et la cosmologie • dynamique d’une supernova • lois régissant les étoiles à neutrons • formation d’un trou noir • sources « chandelles standard » visible à distance cosmologique par des interféromètres de deuxième génération • Univers à l’ère de Planck? (détecteurs spatiaux) Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

4. Sources : détecteurs terrestres • Sources continues • Étoiles à neutrons en rotation • objets communs • amplitude difficile à prédire (limites sup.) • intégration du signal • souvent en système binaire • Sources impulsives • Supernovae • amplitude incertaine • Phénomène rare : 3 - 4 10-2 / an dans la Galaxie • Coalescences de systèmes binaires d’objets compacts • NS-NS, NS-BH, BH-BH • sources détectables hors de la Galaxie • taux d’événements? • Sources inconnues • phénomènes violents, GRB? Détection non assurée pour les interféromètres de 1ère génération Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

5. Rdet (ini. LIGO) (yr-1) Rdet (adv. LIGO) (yr-1) Coalescences binaires : taux d’événements • Modèles d’évolution stellaire • Taux de coalescences NS-NS, NS-BH, BH-BH • 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 • Analyse statistique • Uniquement NS-NS • Prédictions « pessimistes » (limites inférieures) • 1 – 30 ·10-6 / an dans la Galaxie (ancienne valeur) • Un nouveau système découvert • révision à la hausse du taux NS-NS • prédiction encore très incertaine Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

6. Sources : détecteurs spatiaux • Une autre gamme de fréquence • [10-4 - 1] Hz • D’autres sources • Étoiles binaires compactes • Coalescences de trous noirs binaires massifs • Fond primordial d’OG? • Une détection assurée • Complémentarité avec les détecteurs terrestres Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

7. L’implication de l’IN2P3 dans Virgo • LAL • Tube à vide et pompage • Global Control & locking • Analyse des données • bursts • LAPP • Enceintes à vide (« bas de tour ») • Système de détection • Acquisition des données • Commissioning • Analyse des données • Coalescences binaires • Pulsars en système binaire • LMA (IPNL) • Traitement de miroirs (« coatings ») Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

8. Virgo : CITF • Étape décisive dans l’avancement de Virgo • septembre 2001  juillet 2002 • nombreux points communs avec Virgo • Évolution de la sensibilité avec la configuration • E0/E1 : Michelson simple • E2 : Michelson recyclé • E3 : + alignement automatique • E4 : + système d’injection final • Des résultats probants • Fiabilité des contrôles • Courbe de sensibilité comprise Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

9. Virgo : commissioning (I) • Démarrage à l’été 2003 • Contrôle du bras nord • octobre 2003 • Contrôle du bras ouest • décembre 2003 • Interféromètre recombiné • mars 2004 • Quatre runs techniques • Caractérisation de la sensibilité courante du détecteur Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

10. Virgo : commissioning (II) • Vers un interféromètre recyclé • « étape 2 » maîtrisée • « étape 3 » maîtrisée • étape finale : travail en cours • run C5 en mode recyclé en novembre ? • Modification du banc d’injection • problème de lumière retro-diffusée vers le mode-cleaner d’entrée • solution temporaire mise en œuvre • nouveau design en cours • Vers la sensibilité nominale • premier run à sensibilité « raisonnable » en 2005 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

11. Virgo : analyse des données (I) • Bursts • forme d’onde mal connue  méthodes d’analyse robustes et variées • Coalescences binaires • forme d’onde bien connue  filtrage adapté • espace des paramètres grand  méthodes de pavage • méthodes d’analyse efficaces  analyse multi-bandes • méthodes de veto • extraction des paramètres de la source Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

12. Virgo : analyse des données (II) • Pulsars • Effet Doppler dû au mouvement du détecteur • espace des paramètres gigantesque pour recherche aveugle • recherche limitée par les moyens de calcul • Cas particulier des pulsars en système binaire • méthode spécifique • accord Virgo-Nautilus pour tester la méthode sur les données de ce détecteur résonnant italien • Fonds stochastiques • Nécessite deux détecteurs • Activité en développement (peu de manpower) Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

13. Virgo : mise en œuvre de l’analyse • Calibration / Reconstruction • Analyse des données des runs techniques • investigations liées au commissioning • préparation de la recherche d’événements / procédures de veto • Mock Data Challenges (MDC) • données simulées (bruits et événements) • bursts et coalescences binaires • mise au point et test du pipeline d’analyse • 6 MDC entre mars 2003 et juin 2004 • Injections d’événements « software » et « hardware » • run C4 • Moyens de calcul • analyse online : Cascina • analyse offline et simulation : centres nationaux (Lyon et Bologne) Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

14. S1 S2 S3 Réseau mondial : avancement de LIGO • Trois interféromètres opérationnels • Commissioning entamé en 1999 • Lente progression vers la sensibilité nominale • Premières prises de données scientifiques • S1, août - septembre 2002 • premières limites supérieures • S2, mars - avril 2003 • S3, novembre 2003 - janvier 2004 • un facteur 2-3 de la sensibilité nominale ! • Run de 6 mois en 2005 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

15. Réseau mondial : vers un observatoire • Analyses combinées nécessaires pour extraire toutes les informations possibles sur la source • Multiples accords bilatéraux établis ou en cours • LIGO – GEO : GEO  LSC (LIGO Scientific Collaboration) • LIGO – TAMA : MOU • Virgo – barres italiennes : MOU ou discussions en cours • Virgo – GEO : discussions dans le cadre du réseau européen ILIAS • … • Virgo – LIGO • MOU en cours de négociation • 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 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

16. Advanced LIGO Virgo : upgrades • Perspectives de détection limitées pour les interféromètres de 1ère génération • Nécessité d’une amélioration majeure de la sensibilité à l’horizon 2008-2009 • Advanced Ligo : installation en 2007-2008 observations en 2009 • Divers R&D en cours dans ou autour de Virgo • R&D récents en général • Définition d’un plan d’upgrades • Graduels • Obtenir au moins un facteur 10 sur toute la bande de fréquence en 2009 • Discussion entamée dans la collaboration • « working group » nommé, doit aboutir d’ici ~ 6 mois Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

17. Upgrades : bruit sismique • Super-atténuateurs de Virgo répondent déjà aux critères d’un interféromètre de deuxième génération • Adaptations techniques aux modifications du dernier étage Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

18. Upgrades : bruit thermique pendulaire • Dernier étage moins dissipatif : suspension monolithique (silice) • R&D ancien dans Virgo • Faisabilité démontrée dans GEO • Problèmes corollaires • actionneurs électrostatiques • upgrade du système de contrôle Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

19. Upgrades : bruit thermique du miroir • Déterminant pour un détecteur avancé • Plusieurs phénomènes en cause • Substrat • choisir le bon matériau • optimiser la géométrie • modifier le profil des faisceaux • Coatings • R&D en cours Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

20. Upgrades : bruit de photons Deux types de solutions • Laser de forte puissance • Faisabilité démontrée par R&D GEO • R&D nécessaire sur effets thermiques • Recyclage du signal • Pas d’effets thermiques • Complexité du schéma de contrôle Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

21. Au delà de « Advanced Virgo » • Quoi • Un nouvel interféromètre • Qui • L’ensemble de la communauté européenne • Virgo + GEO + … • Quand • Horizon 2010 - 2015 • Comment • Un deuxième interféromètre dans le tube de Virgo? • Souterrain ? • Cryogénique ? • Dépassement des limites quantiques ? • Avec quels moyens • Proposition de « design study » en mars 2004, dans le cadre de l’appel d’offre européen FP6  proposition rejetée  ?? Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

22. LISA • Orbite héliocentrique • Trois satellites distants de 5.106 km • Projet piloté conjointement par l’ESA et la NASA • Contrat avec Astrium pour les satellites • Lancement prévu en 2013 • Déjà des réflexions pour étendre la sensibilité de LISA à plus basse fréquence! • et une proposition pour un autre interféromètre spatial complétant la couverture du spectre entre LISA et les détecteurs terrestres Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

23. LISA Pathfinder • Mission de démonstration technologique • Capteurs inertiels (accéléromètres) • Compensation de traînée • Système optique • Approuvé en novembre 2003 • Lancement prévu en novembre 2007 Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

24. LISA France • Lettre d’intention en mai 2004 • Groupes français théoriques et expérimentaux • IN2P3 : APC, LAPP + LPSC depuis • Artemis (observatoire Côte d’Azur) • IAP • LUTH & SYRTE (observatoire Paris-Meudon) • LISA Pathfinder • Modulateur acousto-optique (APC) • LISA • Analyse de données • Développements théoriques (sources) Journées de prospective IN2P3/DAPNIA

25. Conclusions • Détecteurs de 1ère génération • LIGO à un facteur 2 – 3 de sa sensibilité nominale • 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 • Perspectives de détection limitées • Détecteurs de 2ème génération • 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 • LISA Pathfinder en 2007 • LISA en 2013 • LISA France en développement Journées de prospective IN2P3/DAPNIA