Étalonnage de l'interferomètre Virgo et reconstruction des données en temps réels

Calibration of the Virgo interferometer and on-line data reconstruction

• Auteur / Autrice : Cervane Grimaud
• Direction : Loic Rolland, Didier Verkindt
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique Subatomique et Astroparticules
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique des Particules

Mots clés

Mots clés libres

Virgo

Étalonnage

Onde gravitationnel

Reconstruction données

Virgo

Calibration

Gravitationnal wave

Data reconstruction

Résumé

Le détecteur d'ondes gravitationnelles Virgo, installé à Pise, fonctionne sur le principe d'un interféromètre laser avec des bras de 3 km de long. En août 2017, la première observation conjointe d'ondes gravitationnelles, par les détecteurs LIGO (Etats-Unis) et Virgo (Italie), provenant d'une coalescence d'étoiles à neutrons et d'un sursaut gamma, suivie par celle d'un signal optique, a ouvert un tout nouveau chapitre de l'astronomie multi-messagers. Outre la confirmation de la nature des sursauts gamma courts, de nouveaux types de mesures ont pu être réalisés, allant de tests de la relativité générale à une nouvelle mesure indépendante de la constante de Hubble, avec une précision de l'ordre de 15%. Après avoir amélioré les détecteurs, une autre période d'observation conjointe en 2019/2020 a porté à environ 90 le nombre de coalescences de systèmes binaires compacts détectés (majoritairement des trous noirs). La prochaine prise de données, appelée O4, va commencer fin 2022 et devrait permettre de multiplier par trois ce nombre d'événements détectés. Cette progression exponentielle devrait se poursuivre lors des prochaines prises de données. Avec les détections de plus en plus nombreuses à venir, la précision de l'étalonnage du détecteur et la précision de la reconstruction du signal d'onde gravitationnelle devront être de mieux en mieux maîtrisées. L'équipe Virgo du LAPP (Laboratoire d'Annecy de Physique des Particules) développe une technique d'étalonnage, le calibrateur optique, basée sur la pression de radiation d'un laser auxiliaire pour déplacer d'une quantité connue un miroir suspendu. Cette technique est actuellement la méthode de référence pour étalonner les détecteurs LIGO et Virgo, et une procédure d'inter-étalonnage des différents détecteurs du réseau est en cours de mise en place. Un des objectifs de la thèse est d'améliorer la précision de cette technique en deçà du pourcent, d'étendre sa bande de fréquence utile à haute fréquence, ainsi que de participer activement à l'inter-étalonnage des différents détecteurs LIGO, Virgo et KAGRA (Japon). Il sera aussi très utile d'inter-étalonner le calibrateur optique avec un calibrateur newtonien, nouvelle technique d'étalonnage développée par l'équipe de Strasbourg se basant un champ gravitationnel variable. Un autre aspect de ce travail de thèse consisterait à réduire le temps nécessaire pour fournir le signal d'onde gravitationnelle h(t) aux analyses en ligne, sans trop perdre de précision, afin de permettre des pre-alertes sur les détections de coalescences de binaires d'étoiles à neutrons.

The Virgo gravitational wave detector, ilocated in Pisa, operates on the principle of a laser interferometer with arms 3 km long. In August 2017, the first joint observation of gravitational waves, by the LIGO (USA) and Virgo (Italy) detectors, from a neutron star coalescence and a gamma-ray burst, followed by that of an optical signal, opened a whole new chapter in multi-messenger astronomy. In addition of confirming the nature of short gamma-ray bursts, new types of measurements were made, ranging from tests of general relativity to a new independent measurement of the Hubble constant, with an accuracy of the order of 15%. After improving the detectors, another period of joint observations in 2019/2020 brought the number of detected coalescences of compact binary systems (mostly black holes) to about 90. The next round of data, called O4, will start at the end of 2022 and is expected to increase this number of detected events by a factor three. This exponential progression should continue during the next data collection. With more and more detections to come, the precision of the detector calibration and the accuracy of the reconstruction of the gravitational wave signal will have to be controlled with even more precision. The Virgo team at LAPP(Laboratoire d'Annecy de Physique des Particules) is developing a calibration technique, the optical calibrator, based on the radiation pressure of an auxiliary laser to move a suspended mirror by a known amount. This technique is currently the reference method for calibrating the LIGO and Virgo detectors, and an inter-calibration procedure for the different detectors of the array is being set up. One of the objectives of this thesis is to improve the accuracy of this technique below one percent, to extend its useful frequency band to high frequency, and to actively participate in the inter-calibration of the different detectors of LIGO, Virgo and KAGRA (Japan). It will also be very useful to inter-calibrate the optical calibrator with a Newtonian calibrator, a new calibration technique developed by the Strasbourg team based on a variable gravitational field. Another aspect of this thesis work would be to reduce the time needed to provide the gravitational wave signal h(t) for the on-line analyses, without losing too much accuracy, in order to allow pre-alert for the detections of binary neutron star merger.