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Ondes GravitationnellesProspective

• Frédérique MARION
• Journées de prospective IN2P3 / DAPNIA
• 12 octobre 2004

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Plan

• Les enjeux de la détection des ondes
  gravitationnelles
• Les sources
• détecteurs terrestres / détecteurs spatiaux
• Limplication de lIN2P3
• Lavancement de Virgo
• le commissioning
• lanalyse des données
• Le réseau mondial de détecteurs terrestres
• Les upgrades de Virgo
• Vers un nouvel interféromètre européen?
• LISA

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Les enjeux

• Tester la description de la gravitation par la
  Relativité Générale
• Mise en évidence expérimentale directe de
  lexistence 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 lastrophysique et la
  cosmologie
• dynamique dune supernova
• lois régissant les étoiles à neutrons
• formation dun trou noir
• sources  chandelles standard  visible à
  distance cosmologique par des interféromètres de
  deuxième génération
• Univers à lère de Planck? (détecteurs spatiaux)

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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 dobjets
  compacts
• NS-NS, NS-BH, BH-BH
• sources détectables hors de la Galaxie
• taux dévénements?
• Sources inconnues
• phénomènes violents, GRB?

Détection non assurée pour les interféromètres de
1ère génération
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Coalescences binaires taux dévénements

• Modèles dévolution stellaire
• Taux de coalescences NS-NS, NS-BH, BH-BH
• Prédictions  optimistes 
• NSNS 310-5 310-4 / an
• dans la Galaxie
• NSBH et BHBH 10 à 100 fois moins
• visibles à plus grande distance
• ?plus dévénements attendus
• BHBH (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

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Sources détecteurs spatiaux

• Une autre gamme de fréquence
• 10-4 - 1 Hz
• Dautres sources
• Étoiles binaires compactes
• Coalescences de trous noirs binaires massifs
• Fond primordial dOG?
• Une détection assurée
• Complémentarité avec les détecteurs terrestres

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Limplication de lIN2P3 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 )

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Virgo CITF

• Étape décisive dans lavancement 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 dinjection final
• Des résultats probants
• Fiabilité des contrôles
• Courbe de sensibilité comprise

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Virgo commissioning (I)

• Démarrage à lété 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

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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 dinjection
• problème de lumière retro-diffusée vers le
  mode-cleaner dentrée
• solution temporaire mise en œuvre
• nouveau design en cours
• Vers la sensibilité nominale
• premier run à sensibilité  raisonnable  en 2005

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Virgo analyse des données (I)

• Bursts
• forme donde mal connue ? méthodes danalyse
  robustes et variées
• Coalescences binaires
• forme donde bien connue ? filtrage adapté
• espace des paramètres grand ? méthodes de pavage
• méthodes danalyse efficaces ? analyse
  multi-bandes
• méthodes de veto
• extraction des paramètres de la source

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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)

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Virgo mise en œuvre de lanalyse

• Calibration / Reconstruction
• Analyse des données des runs techniques
• investigations liées au commissioning
• préparation de la recherche dévénements /
  procédures de veto
• Mock Data Challenges (MDC)
• données simulées (bruits et événements)
• bursts et coalescences binaires
• mise au point et test du pipeline danalyse
• 6 MDC entre mars 2003 et juin 2004
• Injections dévénements  software  et
   hardware 
• run C4
• Moyens de calcul
• analyse online Cascina
• analyse offline et simulation centres nationaux
  (Lyon et Bologne)

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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

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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 détape au MIT à la fin de la semaine
• Projet 2 injections software hardware dans de
  vraies données

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Virgo upgrades

• Perspectives de détection limitées pour les
  interféromètres de 1ère génération
• Nécessité dune amélioration majeure de la
  sensibilité à lhorizon 2008-2009
• Advanced Ligo installation en 2007-2008
• observations en
  2009
• Divers RD en cours dans ou autour de Virgo
• RD récents en général
• Définition dun plan dupgrades
• 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 dici 6
  mois

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Upgrades bruit sismique

• Super-atténuateurs de Virgo répondent déjà aux
  critères dun interféromètre de deuxième
  génération
• Adaptations techniques aux modifications du
  dernier étage

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Upgrades bruit thermique pendulaire

• Dernier étage moins dissipatif suspension
  monolithique (silice)
• RD ancien dans Virgo
• Faisabilité démontrée dans GEO
• Problèmes corollaires
• actionneurs électrostatiques
• upgrade du système de contrôle

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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
• RD en cours

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Upgrades bruit de photons

• Deux types de solutions
• Laser de forte puissance
• Faisabilité démontrée par RD GEO
• RD nécessaire sur effets thermiques
• Recyclage du signal
• Pas deffets thermiques
• Complexité du schéma de contrôle

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Au delà de  Advanced Virgo 

• Quoi
• Un nouvel interféromètre
• Qui
• Lensemble 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 lappel doffre européen FP6 ?
  proposition rejetée ? ??

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LISA

• Orbite héliocentrique
• Trois satellites distants de 5.106 km
• Projet piloté conjointement par lESA 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

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LISA Pathfinder

• Mission de démonstration technologique
• Capteurs inertiels (accéléromètres)
• Compensation de traînée
• Système optique
• Approuvé en novembre 2003
• Lancement prévu en novembre 2007

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LISA France

• Lettre dintention en mai 2004
• Groupes français théoriques et expérimentaux
• IN2P3 APC, LAPP LPSC depuis
• Artemis (observatoire Côte dAzur)
• IAP
• LUTH SYRTE (observatoire Paris-Meudon)
• LISA Pathfinder
• Modulateur acousto-optique (APC)
• LISA
• Analyse de données
• Développements théoriques (sources)

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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 lanalyse des données
• Opportunité dengagement pour de nouveaux groupes
• Perspectives de détection limitées
• Détecteurs de 2ème génération
• Advanced LIGO en 2009
• Plan dupgrades 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