Projet 3: Télémétrie

Télémétrie
UMR 6162
Projets
Astrophysique
Relativiste
Théorie
Expérience
Modélisation
Instrumentation
Signaux
Pluridisciplinarité (5 sections du CNRS)
LISA
Virgo
Nary MAN
Plan de la présentation
 Composition - Projets
 Historique
 Comment détecter une onde de gravitation
 Mesure de distance
 Projets de recherche: Virgo, LISA, Télémétrie
 Compétences dans ces projets
 Astrophysique non photonique
Composition
 9 chercheurs (sections 2, 4, 8, 10,17) et astronomes
 9 ingénieurs, techniciens, administratifs
 1 CDD ingénieur
 5 doctorants
 1 post-doctorant
Projets
• 1 Thème principal: Ondes de Gravitation
• 3 Projets
Virgo
LISA
Télémétrie
Historique
VIRGO
• 1980
R&D
• 1985
Design
• 1989
Proposal
• 1993
•
LISA
Télémétrie
ARTEMIS
Design
T0
Construction
• 1999
T0
• 2000
Inauguration
• 2003
Recette
• 2005
R&D Fibres
• 2007
VSR1
R&D lasers
Modélisation
T0
(+GEMINI)
Ondes de Gravitation?
Prédites par Einstein dans
sa théorie de la Relativité
Générale en 1916 et
formulées en 1918
« Petits frissons » qui agitent en
permanence l’Univers et se
propagent à la vitesse de la lumière:
des rides de l’espace-temps
Elles provoquent des variations de longueurs.
Leur force est mesurée par
une. variation relative de
distance (objectif ~10-21 )
Ex: la variation serait de l’épaisseur
d’un cheveu sur une distance de 30
années-lumière.
Faiblesse du signal: pratiquement rien ne l’arrête
Elle peut venir du fin fond de l’univers …
Détecter l’OG en mesurant une variation de
longueur
Utiliser un interféromètre:
instrument qui compare des distances parcourues par
deux faisceaux laser.
sensibleaux
auxvariations
variationsdededistances
distancesinférieures
inférieuresà àlala
sensible
longueurd’onde
d’ondededelalalumière.
lumière.
longueur
Mesure de variation de phase pour atteindre objectif
Projet Virgo
Détection des ondes de gravitation sur Terre : Virgo
 Projet de 76 M€, fonctionnement annuel 10 M€, 50
personnes sur site (maintenance, infrastructure), 11
laboratoires français et italiens
 Toutes les techniques poussées à l’extrême, meilleurs
miroirs du monde, lasers de puissance ultra-stables,
2.7 ha d’inox avec taux dégazage < 10-16, isolation
sismique de presque 10 ordres de grandeur,
acquisition de données de 10Mb/seconde….
Interféromètre Virgo
Fabry-Perot
cavities
Laser
beamsplitter
photo detector
•6 km de Tube
à vide de 1,20
m de
diamètre ,
•9 enceintes à
vide dont 6 de
11 m de
hauteur,
•2,7 ha de
surface
métallique
Miroirs: 21 kg de
haute technologie
Suspendus par des 4 fils
d’acier de 0.6 mm
Fonctionnement Artemis dans Virgo
 Participation: 6 ch, 4 IT, 2 doct (9 ETP)
 75-80 K€ par an, pour missions régulières sur site,
réunions mensuelles, participation avec présentation
aux conférences sur gravitation
 CDD ingénieur depuis 3 ans
 Bourse doctorant: 2004-2007 puis 2007-2010
 50-70 k€ / an d’équipement pour le site
 10 k€ de contrat R&D pour les futures améliorations
Artemis dans Virgo
Photonique:
Expertise lasers et contrôles des lasers
Expertise cavités résonnantes et faisceaux laser
R&D: lasers de puissance à fibre
R&D: fibres microstructurées pour transport de faisceaux de
puissance
Physique des ondes de gravitation
Analyse des bruits, analyse des sources stochastiques….
Théories alternatives de la gravitation
Sensibilités de Virgo
10-15 m
Projet 2
Détection des ondes de
gravitation dans
l’espace: LISA
Artemis dans LISA
 Participation: 4 ch, 3 doct, 1 post-doc (4 ETP)
 Modélisation du signal, étude de sources
 Traitement relativiste des orbites
 Traitement numérique de l’interférométrie
 Mise au point d’un programme de simulation généraliste de
la mission LISA pour la communauté (en collaboration
avec APC)
Mesure de distance
Horloge +
dateur
(picoseconde)
D = vitesse lumière x temps de propagation = 0.3 mm
299 792 458 m/s
10-12 sec
Principes
 Mesure de distance à haute résolution (< nm) et haute précision (10-14 ), pour
applications spatiales : interférométrie, géodésie, physique
 Principe :
 faisceau lumineux modulé réfléchi par la cible
 3 mesures complémentaires:
Temps de vol  L= t.c / 2 (détermination de n)
Incertitude 1 ps  0.3 mm
Phase de la modulation  L = n.L.+ L.F/ 4.p (L = c / Frep = 1 cm)
détermination de k
Incertitude 10-5 rd  10-6L = 10 nm
Interférence optique  L= k.l + l.f / 4.p (l = 1 mm)
Incertitude 10-14*L  1 pm pour L=100m
 10 nm pour L = 1000 km
19
Projet 3: Télémétrie -Iliade
3 ch, 2 IT (3,5 ETP)

dateur
(horloge)
frep
train d'
impulsions
n
Phasemètre
bras de
référence
temps de vol DL/c
phase de modulation
2p(DL frep/c)

FP(nN)
laser à
cadence
Impulsions
courtes
frep
FP(nN+1)
bras de mesure
mesure de la phase
interférométrique
2p (DL/l)
3
Contrats CNES et ANR
20
Plan de la présentation
 Composition - Projets
 Historique
 Comment détecter une onde de gravitation
 Mesure de distance
 Projets de recherche: Virgo, LISA, Télémétrie
 Compétences dans ces projets
 Astrophysique non photonique
• Notre perception de l’Univers aujourd’hui : le Voir avec les
Ondes électromagnétiques
-> Astronomie optique: ….loi d’expansion de l’Univers de
Hubble
-> Radio-astronomie : …..rayonnement du fond cosmique
-> Astronomie de rayons X: …..interaction des étoiles à
neutrons et trous noirs
-> Astronomie Infra-rouge : ….trous noirs très massifs dans le
centre des galaxies.
……etc…………
Ø L’astronomie Photonique
Photon (i.e. onde électromagnétique)
=> transporte la force entre les charges électriques (en
général les électrons)
Charges en
mouvement dans
l’objet observé
Photon
Colimateur

V
e-
DI: Courant électrique
DT: Chauffage par effet Joule
eCharges en
mouvement dans le
détecteur
Ø L’astronomie des Ondes de Gravitation
Graviton (i.e. onde de gravitation)
=> transporte la force entre les masses (la matière !)
Masses en
mouvement dans
l’objet observé

V
graviton
Mise en
mouvement de
masses tests
m1
m
m2
Mesure de leur distance par
interférométrie laser

Lesondes
ondes gravitationnelles
:un nouveau :un
messager
Les
graitationnelles
des étoilesdes toiles
noueau essager
Nouvelle perception de l’Univers : l’Ecouter avec les Ondes
de Gravitation
pulsar double PSR 1913+16: preuve indirecte de la Relativité
Générale, obéit aux prédictions dynamiques, perd de
l’énergie comme prévu par ondes de gravitation
Prix Nobel 1993 pour Hulse et Taylor
Quelle astrophysique avec les ondes de gravitation (cf Tania demain)
Merci de votre attention