Ω - Virgo

La recherche des ondes
gravitationnelles avec Virgo
Marie-Anne Bizouard – LAL Orsay
Que veut-on faire avec Virgo?
Virgo
Ou en est Virgo?
Quelles sont les améliorations possibles?
17/06/2005
Journées thématiques
1
La physique
Les sources et les ordres de grandeur
Ce qu’on peut espérer découvrir avec la première
génération d’interféromètre
Les techniques d’analyse du signal
17/06/2005
Journées thématiques
2
Les sources d’ondes gravitationnelles
• Bursts (supernovae, désexcitation de trous noirs, ….)
• Systèmes binaires spiralants (étoiles a neutrons,
trous noirs)
• Sources périodiques (pulsars)
• Fond stochastique
• Autres? Nouvelle physique
17/06/2005
Journées thématiques
3
Supernovae
• Effondrement gravitationnel du cœur d’une étoile massive ayant épuisé
son carburant
• L’émission d’OG dépend de l’asymétrie pendant l’effondrement
(SNII)
• Sources d’asymétrie:
• Rotation rapide
• Présence d’un compagnon
h~10−23 @ 10Mpc
f ~100Hz → 1kHz
1SN / 30ans / galaxie
• Prédictions actuelles:
– Effondrement -> étoile à neutrons
– Effondrement -> SN avortée (étoile trop massive) -> Trou Noir
+ oscillation
−22
@ 10 Mpc
f ~10kHz
statistique mal connue
h~10
17/06/2005
Journées thématiques
4
Forme d’ondes émises lors d’une SN II
Simulation numérique
(forme d’onde mal modélisée)
Conséquence pour l’analyse:
le filtrage de Wiener ne peut
pas être utilisé
méthodes robustes
Autres caractéristiques:
• émission e.m.
• émission de neutrinos
• émission de GRB?
- Coïncidence pour éliminer des fausses alarmes
- Limite sur la masse des neutrinos
17/06/2005
Journées thématiques
5
Systèmes binaires
• Système de 2 astres compact en fin d’évolution (NS-NS
NS-BH
BH-BH)
moment quadripolaire variable Æ émission OG
émission OG Æ perte énergie/moment cinétique
les 2 astres se rapprochent …
FUSION
PSR1913+16 : fusion dans 300 millions d’années
• Forme d’onde des 3 phases:
– Coalescence: bien connue (aux ordres
post-newtonien.
ordre 3.5 PN récemment fini!)
– Plongeon: pas très bien connue:
• simulations numériques?
– Ringdown: bien connue
• Sinusoïde amortie
• Mais incertitude sur l’amplitude
17/06/2005
Journées thématiques
6
Systèmes binaires: phase spirale
2 étoiles à neutrons @ 10Mpc
hmax ~10-21 et fmax ~ 1 kHz
Technique d’analyse:
filtrage de Wiener:
-Corrélation des données avec
un « patron »
-Difficulté: entre 1000
jusqu’à plusieurs 106
« patrons »
17/06/2005
Journées thématiques
7
Estimations du nombre d’événements
•
NS-NS: 1.4 M Θ + 1.4 M Θ
– 0.001 – 1 / an
jusqu’à 20 Mpc
•
NS-BH: 1.4 M Θ + 10 M Θ
– 0.001 – 1 / an jusqu’à 43 Mpc
•
BH-BH: 10 M Θ + 10 M Θ
– 0.001- 1 / an jusqu’à 100 Mpc
•
Gain substantiel pour la seconde génération de détecteur
– Facteur 10 sur la sensibilité
gain d’un facteur 1000 sur le nombre d’événement
17/06/2005
(Kalogera, Belczynski, Bulik)
Journées thématiques
8
Sources périodiques
•
Sources: étoiles a neutrons en rotation rapide et non-axisymétrique
(source d’asymétrie: « montagne », stress magnétique)
•
Amplitude: h~10− 26(
•
Intégration du signal sur plusieurs années: SNR~
f
10kpc
)(
)2( ε−6 ) très faible!
dis tance 100Hz 10
T
- Recherche en aveugle
sur tout le ciel
- Recherche de pulsars
connus
17/06/2005
Journées thématiques
9
Fond stochastique
• Superposition d’OG émises depuis le big-bang:
– Inflation, défauts topologiques, vibrations de cordes
cosmiques, …
– Superposition incohérente de sources « standards »
• Intérêt: Les OG se sont découplées de la matière plus tôt que la
•
−43
6
lumière
10 s / 10 ans
Intensité décrite par une quantité (densité) sans dimension:
dρ
OG
ρcrit d ln f
Ω OG (f) = 1
−6
h 02Ω OG <10
Prédiction théorique:
•
Virgo+LIGO au bout d’un an: sensibilité
17/06/2005
−13
→10
•
Journées thématiques
−7
h 02Ω OG ~10
10
Analyse en réseau
•
•
Intérêts:
– Obligatoire pour la recherche du bruit de fond stochastique
– Éliminer des fausses alarmes (bursts, binaires)
– Augmenter la probabilité de détection: analyse cohérente (burst,
coalescence)
Couverture du ciel: pas beaucoup de redondance … coincidence difficile!
17/06/2005
Journées thématiques
11
Technique d’analyse: exemple du filtrage
de Wiener
Patron bien
pas bien
adapté
adapté
au signal
au signal
Patron gaussien : w = 1 ms
Signal gaussien : w = 1
5 ms
Signal : SNR intrinsèque = (h|h) = 10
Sortie du filtre : ρSNR
= (h|t)
= 7
= (h|t)
= 10
17/06/2005
Journées thématiques
12
Bilan sur les sources d’OG
• Amplitudes h très faibles
• Sources astrophysiques = astres compacts
• OG=perturbation de la métrique
– Modification des distances
• Effet différentiel
interférométrie
17/06/2005
Journées thématiques
13
Virgo … historique
1960 1er détecteur: barres (Weber)
1963 idée détecteur ITF (Gersenshtein&Pustovoit, Weber)
1969 Fausse alarme (Weber)
1974 PSR1913+16 (Hulse&Taylor)
1980 ITF: 1ers travaux en France
1986 naissance de la collaboration VIRGO (France+Italie)
1989 proposal VIRGO, proposal LIGO (USA)
1992-1993 VIRGO approbation. LIGO approuvé
1996 début construction VIRGO et LIGO
2001-2002 VIRGO CITF Æ 1ères « données ».
LIGO : science runs
2003-2004-2005 Commissioning final de VIRGO
2006 VIRGO sensibilité nominale.
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Journées thématiques
14
Principe de détection des OG
h+
δL =
L
2
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Journées thématiques
15
Principe de la détection
bruit+signal
Pdet =
P [ 1 + Ccos(∆φ) ]
2
0
OG Æ chemin optique modifié Æ variation de la puissance
~
hν
Sensibilité en h : h ≈ λ
4π L P0
17/06/2005
Journées thématiques
(bruit de photon)
16
Amélioration du principe de base
Puissance LASER : Pin = 20 W
sensibilité
h ∝ 1 / Pin
Gain : 3000 × 30 × 50 ~ 106
frange
brillante
Laser
Photodiode
Détection
Sensibilité : h ~
-17
-23
-22
10-21
3 10
/ Hz
→ augmenter la longueur des bras : 1 m → 3 km
(bruit de photon)
→ ajouter des cavités Fabry-Perot (Finesse = 50 ⇒ Gain ~ 30)
→ ajouter le miroir de recyclage (P = 1 kW sur la séparatrice)
17/06/2005
Journées thématiques
17
Schéma optique de Virgo
L=3km
Finesse=50
Input Mode Cleaner
Length = 144 m
Laser Nd:YAG
P=20 W
Recycling
P=1kW
L=3km
Finesse=50
Output Mode Cleaner
Length = 4 cm
17/06/2005
Journées thématiques
18
Atténuation du bruit sismique
Mesure sismique
sur site
−6
~
x (f ) ≈ 10 2
f
Oscillateur harmonique :
m / Hz
Æ filtrage indispensable !
2
m d x + k (x−xs) = 0
dt
2
Fonction de transfert :
Loin de la résonance :
~
2
~
x (ω)
ω
0
H(ω) = ~
=
xs(ω) ω02−ω 2
2
~
|H(ω)| ≈ ⎛⎜ ω0 ⎞⎟
⎝ω ⎠
2N
~
⎛ω ⎞
N oscillateurs en série : |H(ω)| ≈ ⎜ ω0 ⎟
⎝ ⎠
5 oscillateurs (fréquence propre 0.6 Hz):
~
hsism ≈ 7x10
−22
17/06/2005
Journées thématiques
Hz
@ 10Hz
19
Suspensions de Virgo
Super-attenuator = pendule inverse à 7
étages
• Rôle passif: atténuation sismique
attendu: 1014 @ 10Hz
• Rôle actif: contrôle : « top stage »,
marionette, masse de reference
The
rma
17/06/2005
l no
is e
Journées thématiques
20
Bruit thermique
Oscillateur harmonique a T excité par environnement Æ bruit
thermique (cf mvt brownien, théorème fluctuation-dissipation)
Chaque mode de vibration caractérisé par :
• fréquence propre w0
• facteur de qualité Q
|~
x (ω)| = 4kTω ω
mQ ω
2
Densité spectrale
17/06/2005
0
Si ω << ω0 :
|~
x (ω)|
∝
1 ω
Si ω >> ω0 :
|~
x (ω)|
∝
1 ω5
2
Journées thématiques
2
1
0
(ω
2 2+ 4
−ω0) ω0
2
Q2
21
Bruit thermique (suite)
~
x (m/ Hz)
17/06/2005
• ω0 = 2π x 1 kHz
• Q = 105
Journées thématiques
22
VIRGO : sensibilité prévue
À condition de contrôler tous les autres bruits !!!
Bruit
thermique
Queue de la résonance
À 0.6 Hz
Résonance
miroirs
Modes
violon
Bruit de photon
«mur sismique»
17/06/2005
Journées thématiques
23
Éléments optiques
L=3km
Finesse=50
Input Mode Cleaner
Length = 144 m
Laser Nd:YAG
P=20 W
Recycling
P=1kW
L=3km
Finesse=50
Output Mode Cleaner
Length = 4 cm
17/06/2005
Journées thématiques
24
Stabilisation en fréquence du LASER
Cavité de référence (ULE)
Sous vide
Accrochée au banc d’entrée
17/06/2005
Journées thématiques
25
Fluctuations d’indice
Fluctuations d’indice ⇒ fluctuations de phase (BRUIT !)
Æ Vide poussé indispensable
Besoin : pression résiduelle < 10-7 mbar
Solution :
• Tubes acier ∅ ~1.2 m, e ~ 4 mm.
• 200 modules de 15 m dans chaque bras
• étuvage 400°C en usine puis 150 °C (H2O) sur site
• pompage : 6 stations / bras
Aujourd hui: P< 10-9 mbar
•P(H2) = 2.10-10 mbar
•P(hydrocarbon) ~ 10-14 mbar
17/06/2005Volume
Journées thématiques
de vide dans VIRGO
: 2x3kmx1.2m ~ 7000 m3 !
26
Installation des miroirs de Virgo
•Les miroirs de Virgo sont produits au SMA-Lyon
– Il faut des pertes très faibles: < 2% (1kW sur la séparatrice):
• absorption du « coating » (< 1 ppm) et du substrat (<2 ppm/cm)
• diffusion < 5 ppm
• Aberrations (δz < λ/100)
– Transmission : 10 < T < 50
– Miroir en silice: Ø = 35 cm
Solution : miroirs en silice (SiO2)
(épaisseur 10 ou 20 cm)
Futur: miroir en saphir (Al2O3) ou fluorine (CaF2)
17/06/2005
Journées thématiques
27
Montage de la séparatrice
17/06/2005
Journées thématiques
28
17/06/2005
Journées thématiques
29
Installation de la séparatrice
17/06/2005
Journées thématiques
30
Séparatrice installée en juillet 2002
17/06/2005
Journées thématiques
31
La mise en route de Virgo
• Première étape: partie centrale (sep 2001- juin 2002)
Input Mode Cleaner
Length = 144 m
Laser Nd:YAG
West mirror
5.6 m
Recycling
6m
P=10 W
5 engineering run de 3 jours
17/06/2005
Journées thématiques
6.4 m
North mirror
Output Mode Cleaner
Length = 4 cm
32
La mise en route de Virgo
• Deuxième étape: Virgo complet: Sep 2003
L=3km
Finesse=50
Input Mode Cleaner
Length = 144 m
Laser Nd:YAG
Recycling
P=1kW
P=20 W
1. Commissioning de chaque bras : fin03
2.1 Difficulté : retour de la lumière dans le MC : P = 5W
2.2 Locking des 2 bras: ITF « recombiné » : avril 04
3. Locking de Virgo recyclé: oct 04
L=3km
Finesse=50
Output Mode Cleaner
Length = 4 cm
Depuis … difficultés pour augmenter la robustesse du lock en
Configuration ITF « recyclé » … état bi-stable
17/06/2005
Journées thématiques
33
Contrôle de l’ITF : le “locking”
•
Garder les cavités FP a leur position de
résonance (maximiser la réponse en phase)
•
Garder la cavité de recyclage à résonance
(minimiser le bruit de photon)
•
Garder le point de fonctionnement de l’ITF
sur la “frange noire” (réduit la dépendance
liées aux variations de puissance)
Garder la longueur des bras constante a mieux de
10-12 m !
17/06/2005
Journées thématiques
34
Alignement des miroirs
Nécessaire pour:
• diminuer les variations de
puissance
• diminuer le bruit non stationnaire
1 hour
17/06/2005
Auto-alignement ON
Journées thématiques
35
Alignement linéaire
17/06/2005
Journées thématiques
36
Alignement linéaire
17/06/2005
Journées thématiques
37
Sensibilité actuelle
200 kpc for 1.4 NS -1.4 NS
17/06/2005
Journées thématiques
38
Les limitations actuelles
Electronic
noise
photodiode
Oscillator phase noise
Factor 3-4
17/06/2005
Journées thématiques
39
Comparaison Virgo-LIGO
Virgo mai 05
LIGO S2 avril 03
17/06/2005
Journées thématiques
40
Le futur proche
• Prise de données : 15 jours en août 2004 Æ analyse de données
• Septembre 2004: shutdown pour remplacer le banc d’injection
(avec un isolateur Faraday)
• Janvier 2005: Virgo « recyclé » et stable!?
17/06/2005
Journées thématiques
41
L’organisation de Virgo
•
2001: création du consortium EGO
– Gestion du site (infrastructures, vide, informatique, …)
– Support à Virgo: participation au commissioning
– 45 staff
• Collaboration Virgo
– les 11 laboratoires « historiques » (6 INFN, 3 IN2P3, Obs. Nice, ESPCI).
– 150 signataires (physiciens + ingénieurs)
•
Conseil EGO + STAC (représentants français et italiens)
– Évaluation de l’avancement du projet tous les 6 mois
17/06/2005
Journées thématiques
42
Virgo EGO Scientifique Forum (VESF)
• Crée en novembre 2004 pour attirer vers Virgo la communauté
des théoriciens relativistes, numériciens, astrophysiciens, et
ceux qui s’intéressent aux améliorations du détecteur
– L’idée est de fédérer au niveau européen la communauté: rapprochement avec
les groupes GEO (Angleterre et Allemagne)
– GEO appartient à la LSC (LIGO Science Community) …
– Le VESF n’est pas un « VSC » (pas les mêmes droits ni les mêmes devoirs)
• Financement de 10 postdoc sur des projets d’analyse de
données
17/06/2005
Journées thématiques
43
Les améliorations possibles
• Améliorer la sensibilité d’un facteur 10
Gagner un facteur 10 sur la distance de détection
Gagner un facteur 1000 sur le volume de sources potentielles
• NS-NS distance de détection pour Virgo/LIGO: 14 Mpc
(amas de la Vierge)
Æ Taux de binaires spiralantes: moins d’un événement par an!
Æ Pas d’astronomie des OG possible …
• Les détecteurs de « seconde génération » sont nécessaires
– étude prospective déjà démarrée dans Virgo … mais pas encore de
design complet pour un « advanced Virgo »
– « white paper » en préparation
17/06/2005
Journées thématiques
44
Améliorations possibles
17/06/2005
Journées thématiques
45
planning
•
3 steps scenario:
– Prise de données + Virgo upgrade : Virgo+
– Shutdown vers 2010: advanced Virgo
– Détecteur de nouvelle génération
•
Advanced LIGO: proposition NSF faite en février 2003
17/06/2005
Journées thématiques
46
Virgo +
• Idée: faire des « petits » upgrades pour limiter les périodes
d’arrêt et commissioning tout en améliorent la sensibilité
• Quand?:
– quand Virgo aura atteint sa sensibilité nominale
– Après une prise de données de qqs mois/années ?
2008+
• Quoi?:
–
–
–
–
Suspensions monolithiques (fused silica)
Laser plus puissant (50 W ? + effet au niveau des optiques)
Mirror thermal compensation (déformation thermique des miroirs)
Upgrade du système de contrôle (électronique moins bruyante et mieux
adaptée)
17/06/2005
Journées thématiques
47
Suspension monolithique
Technologie déjà éprouvée par GEO
Installation: plusieurs mois d arrêt
17/06/2005
Journées thématiques
48
Virgo versus Virgo+
-19
10
(a) Virgo +
(b) Virgo + (old mirror th. noise model)
(c) Nominal Virgo
(d) Pendulum Thermal Noise
(e) Mirror Thermal Noise
(f) Optical Readout Noise
(d)
-20
h(f) [1/sqrt(Hz)]
10
-21
10
(c)
(f)
-22
10
(b)
(e)
(a)
-23
10
1
17/06/2005
10
100
Frequency [Hz]
Journées thématiques
1000
10000
49
Advanced Virgo
•
•
Le « design » doit être prêt pour 2007
Principales voies:
– Laser puissant (>100 W)
– Recyclage de signal
– Réduction du bruit thermique des miroirs (masse plus grande, meilleur coating,
faisceau plat, …)
– Étude sur les matériaux
17/06/2005
Journées thématiques
50
Advanced Virgo, advanced LIGO
-20
10
AdvVirgo
Virgo
Virgo semi-advanced
Virgo semi-advanced "new mirror model"
Advanced LIGO
Advanced Virgo without thermo-refractive
-21
h(f) [1/sqrt(Hz)]
10
-22
10
-23
10
-24
10
10
100
1000
10000
Frequency [Hz]
17/06/2005
Journées thématiques
51
Conclusions
• Analyse de données: les choses « sérieuses » commencent
– Sensibilité nominale en 2006?
– Analyse de données en reseau déjà démarrée (échange de
données: en discussion)
• Programme d’améliorations possibles déjà bien
rempli pour les 4 prochaines années
• Advanced Virgo: en discussion, plusieurs scenarios,
R&D faite au niveau mondial
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Journées thématiques
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