Amélioration et exploitation d’un simulateur électro-optique du détecteur spatial d’ondes gravitationnelles LISA

Improvement and exploitation of an electro-optical silumator of the space-based gravitational waves detector LISA

• Auteur / Autrice : Matthieu Laporte
• Direction : Matteo Barsuglia, Hubert Halloin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 18/04/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Yannick Giraud-Héraud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matteo Barsuglia, Hubert Halloin, Yannick Giraud-Héraud, Myriam Zerrad, Luciano Di Fiore, Isabelle Petitbon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Myriam Zerrad, Luciano Di Fiore

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gravitation

Relativité générale (physique)

Environnement spatial -- Simulateurs

Interféromètres laser

Ondes gravitationnelles

Optique

Astrophysique

Mots clés libres

LISA

Simulateur

LISA

Simulator

Résumé

La détection d'ondes gravitationnelles en 2015 a posé la première pierre d'un tout nouveau pan de la physique de l'Univers. La multiplication et l'amélioration des détecteurs permettront, associées aux observations électromagnétiques, d'obtenir de précieuses informations sur les objets peu connus de l'Univers, comme les trous noirs. Dans ce contexte la mission LISA (Laser Interferometer Space Antenna) sera le premier détecteur interférométrique spatial à ondes gravitationnelles. Concrètement, l'effet d'une onde gravitationnelle est une déformation périodique de l'espace-temps, très faible, mais pouvant être détectée par mesure interférométrique. La mission LISA détectera ainsi des variations de longueur de l'ordre du picomètre pour une longueur de bras de l'ordre du million de kilomètres, soit une variation relative de 〖10〗^(-21). De tels niveaux de sensibilités nécessitent des techniques avancées de réductions de bruit qui doivent être testées numériquement et expérimentalement. Le bruit dominant sur la mesure sera le bruit de fréquence du laser, qui nécessitera, outre les techniques de stabilisation laser, l'utilisation d'une méthode de traitement numérique appelée interférométrie à temps retardés (TDI) qui permet de reformer virtuellement un interféromètre à bras égaux, ce qui a pour effet d'annuler le bruit de fréquence du laser. C'est particulièrement cette technique qui est testée par l'expérience faisant l'objet de cette thèse. Le LISA On Table (LOT) est un simulateur comportant une partie électronique et une partie optique permettant de simuler des signaux réalistes de LISA afin de tester TDI. Il permet de faire interférer des signaux retardés simulés représentatifs du temps de trajet de la lumière entre les satellites de la constellation LISA. L'expérience possédant ses propres bruits instrumentaux, il s'agit de travailler à leur compréhension et leur diminution. Le LOT permet en outre de tester d'autres points de la mission, comme le transfert de bruit d'horloge ou bien des prototypes d'instruments comme le phasemètre par exemple. Les travaux réalisés ont permis de faire fonctionner la partie optique du LOT sous vide, afin d'en limiter les bruits instrumentaux. L'expérience permet de tester et de valider TDI dans une configuration réaliste à bras inégaux de LISA. Des tests permettent aussi de valider la simulation de l'effet Doppler.

The first gravitational waves detection in 2015 opened a brand new window on astrophysics and cosmology. Developement and enhancement of new instruments, coupled with electromagnetic observations, will help with the understanding of quite unknow objects of the Universe, such as black holes. In this context, the LISA mission (Laser Interferometer Space Antenna) will be the first space-based interferometric detector of gravitational waves. The effect of a gravitational wave is a weak periodic distortion of space-time but still observable with interferometric measurments. LISA will detect length variation in the range of picometer, for an arm length in the range of a million kilometer, which corresponds to a relative variation of 〖10〗^(-21). Such sensitivity levels require advanced noise reduction techniques which have to be tested both numerically and experimentally. The dominant noise on the measurement is the frequency noise of the laser. Besides laser stabilisation techniques, a data processing technique called time delay interferometry (TDI) will be needed. It allows to virtually reconstruct an equal arm interferometer, so that the frequency noise of the laser is canceled. This is the main noise reduction technique which is tested by the core experiment of this thesis work. The LISA On Table (LOT) is a simulator comprised of both an electronic and an optical part that can simulate realistic signals of LISA to test TDI. It enables simulated delayed signals, representative of the travel time of the light between satellites, to interfere. The experiment having its own instrumental noises, it is necessary to work on their comprehension and reduction. Moreover, the LOT can be used to test other key features of the mission, such as clock noise transfer, and instruments prototypes such as the phasemeter. the conducted studies made the LOT operational under vacuum, thus limiting the instrumental noises. With the experiment, TDI can be validated in a representative uneven arm length configuration of LISA. Doppler effect simulations are also tested.