virgo détection interférométrique des ondes gravitationnelles alain brillet (collaboration virgo)

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Virgo 1 VIRGO ction interférométrique des Ondes Gravitationnelles Alain Brillet (collaboration Virgo)

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VIRGO Détection interférométrique des Ondes Gravitationnelles Alain Brillet (collaboration Virgo). Ondes gravitationnelles. RELATIVITE GENERALE. (Einstein 1915). La matière dit à l’espace-temps comment se courber et l’espace-temps dit à la matière comment se déplacer. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: VIRGO Détection interférométrique des Ondes Gravitationnelles Alain Brillet (collaboration Virgo)

Virgo 1

VIRGODétection interférométrique des Ondes Gravitationnelles

Alain Brillet(collaboration Virgo)

Page 2: VIRGO Détection interférométrique des Ondes Gravitationnelles Alain Brillet (collaboration Virgo)

Virgo 2

La matière dit à l’espace-temps comment se courber

et l’espace-temps dit à la matière comment se déplacer.

Quand la matière est accélérée ou change de configuration, elle modifie la courbure de l’espace temps.

Ces modifications se propagent : ce sont les ondes gravitationnelles.

Ondes gravitationnelles

RELATIVITE GENERALE

(Einstein 1915)

Page 3: VIRGO Détection interférométrique des Ondes Gravitationnelles Alain Brillet (collaboration Virgo)

Virgo 3

O

A B

Dans la « jauge transverse sans trace »,

OG = écart dynamique à l’espace-temps euclidien

élément d’espace-tempspour une OG se propageant selon z

2

x

22

222

d

dd)(2

d))(1(d))(1(

dd

z

yxth

ythxth

tcs

>> 2 polarisations

>> OG tensorielles

RELATIVITE GENERALE

Ondes gravitationnelles

Page 4: VIRGO Détection interférométrique des Ondes Gravitationnelles Alain Brillet (collaboration Virgo)

Virgo 4

sources impulsionnelles• formation d’étoiles à neutrons ou de trous noirs• collision de systèmes binaires massifs (étoiles à neutrons, trous noirs)

sources périodiques• étoiles à neutrons en rotation rapide• coalescence de systèmes binaires massifs

fond gravitationnel stochastique • cosmologique (époque du Big Bang)• astrophysique

Les effets des ondes gravitationnelles ne sont perceptibles que dans des conditions extrêmes de densité et de vitesse.

Sources

Page 5: VIRGO Détection interférométrique des Ondes Gravitationnelles Alain Brillet (collaboration Virgo)

Virgo 5

Source impulsionnelle :

exemple de forme d’onde pour une coalescence de deux étoiles à neutrons

«chirp»

Sources

Après le « chirp » ???Relativité numérique

Page 6: VIRGO Détection interférométrique des Ondes Gravitationnelles Alain Brillet (collaboration Virgo)

Virgo 6

GW acting on a ring of freely falling masses

Principle of detection

Figure from G.Sanders

Page 7: VIRGO Détection interférométrique des Ondes Gravitationnelles Alain Brillet (collaboration Virgo)

Virgo 7

Measure the space-time strain using light

Michelson interferometer

Interference fringes

L1

L2

L1-L2=L=hLS = sin ( 4.S = sin ( 4.h.L/h.L/))

nb: h < 10nb: h < 10-21-21

Page 8: VIRGO Détection interférométrique des Ondes Gravitationnelles Alain Brillet (collaboration Virgo)

Virgo 8

The whole interferometer

To improve the sensitivity of the interferometer : Fabry-Perot cavities in the 3 km length arms in order to increase the

effective optical length L’ from 3 km to 100 km (L’=L(2F/). ITF + recycling mirror form an optical cavity: which enables to reduce the

shot noise by a factor 7.

Designed to measure a relative displacement smaller than 10-21/ Hz between 20 Hz and 10 kHz.

Page 9: VIRGO Détection interférométrique des Ondes Gravitationnelles Alain Brillet (collaboration Virgo)

Virgo 99

Global network of Interferometric Detectors

VIRGO

L LIGO

GEO 600 AIGO ?

Global network of Interferometric Detectors

VIRGO

L LIGO

GEO 600 AIGO ?

•Sensibilité améliorée(analyse cohérente)

•Robustesse (coïcidences)

• Localisation et paramètres des sources (amplitude,polarisation)

Page 10: VIRGO Détection interférométrique des Ondes Gravitationnelles Alain Brillet (collaboration Virgo)

Virgo 10

The laser : Injection locked master-slave solid state laser

Nd:YAG master commercial CW single mode (1 W) @1064 nmInjection locking technique is used to capture all the power of a multifrequency laser (slave laser) into a single frequency output without any loss of power. The output laser beam copies the master laser frequency and amplitude stability properties.

In order to keep the Nd:YVO4 slave in the locking range of the master laser, its length is controlled using PDH technique and 2 piezo actuators.

Output power: 20 W M2 = 1.07

40 W at 806 nm

Page 11: VIRGO Détection interférométrique des Ondes Gravitationnelles Alain Brillet (collaboration Virgo)

Virgo 11

The Injection System

Prestabilization of the laser frequencyLaser frequency locked to the Input Mode cleaner.Input Mode Cleaner length locked to the reference cavity (monolithic triangular cavity, ULE).

Laser beam filtering (with the IMC). Matching of the laser beam in the ITF using a parabolic telescope.

MCmirror

Laser

BMS sensingMATRIX

Beam Monitoring System

MC/IB_AASensingMATRIX

IB Coils

Injection bench

IMC_QN

IMC_QF

DC position sensors(2 signals)Wavefront sensors(4 signals)Piezo actuators

BMS_QNBMS_QF

Reference cavityReference cavity

IMC length controlIMC length control

Page 12: VIRGO Détection interférométrique des Ondes Gravitationnelles Alain Brillet (collaboration Virgo)

Virgo 12

35 cm diameter, 10 cm thicknessSubstrate losses: 1 ppm/cmCoating losses: <5 ppmRoughness < 0.5 Å RMS

High quality fused silica mirrors

Page 13: VIRGO Détection interférométrique des Ondes Gravitationnelles Alain Brillet (collaboration Virgo)

Virgo 13

The Detection System

In vacuum output mode cleaner (spatial filtering of the ITF output beam) Monolithic triangular cavity. 2.5 cm long, Finesse = 50. Locked on TEM00 (thermal and piezo

control).

Suspended detection bench

Detection, amplification and demodulation in air on the external

bench (InGaAs photodiodes)

Page 14: VIRGO Détection interférométrique des Ondes Gravitationnelles Alain Brillet (collaboration Virgo)

Virgo 14

Interferometer control system

L=3 kmL=3 km

L=3 kmL=3 km

Page 15: VIRGO Détection interférométrique des Ondes Gravitationnelles Alain Brillet (collaboration Virgo)

Virgo 15

Densité spectrale de la résolution de Virgo (Conception)

Instruments

Page 16: VIRGO Détection interférométrique des Ondes Gravitationnelles Alain Brillet (collaboration Virgo)

Virgo 16

Current sensitivity

Persisting technical noises: Low frequency Control noises: longitudinal and angular. Medium frequency Environmental noises coupled by diffused light. High frequency Shot noise: we cannot run with higher power due to

thermal lensing problems.

Page 17: VIRGO Détection interférométrique des Ondes Gravitationnelles Alain Brillet (collaboration Virgo)

Virgo 17

Thermal lensing compensation

Optical fields are changing during lock acquisition (Power recycling cavity gains of the Sidebands are decreasing) due to the thermal lensing effect in input mirrors

=> Thermal lensing compensation system needed (actuator = annular heating with Co2 laser).

SB behaviour during first 30mn of lockas seen by scanning FP on dark fringe

This solution has already been sucessfully implemented on the american detectors

Page 18: VIRGO Détection interférométrique des Ondes Gravitationnelles Alain Brillet (collaboration Virgo)

Virgo 18

50W Amplifier (LZH)

PMC

Master Laser

Higher laser power : 50 W single-frequency laser

20 W Nd:YVO4 slave laser

(injection-locked )

Commercial Master NPRO

Laser1 W

Nd-YvO4 crystal

Crystal pumping module Tested at OCA-NICE: 20 W slave output power 64 W delivered by the amplifier

The Pre Mode Cleaner is a triangular 13 cm long FP cavity (finesse=500), devoted to filter outthe amplitude fluctuations of the laser (to be shot noise limited at the modulation frequency)

Four-stage end-pumped Nd:YVO4 amplifier