Contrôle automatique de l'alignement pour la phase II du détecteur d'ondes gravitationnelles Advanced Virgo

Automatic alignment control for the Phase II of the Advanced Virgo gravitational-wave detector

• Auteur / Autrice : Fangfei Liu
• Direction : Vincent Loriette
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des deux Infinis Irène Joliot-Curie
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Contrôle

Détecteur d'ondes gravitationnelles

Optique

Cavité Fabry-Perot

Control

Optics

Gravitational-waves detector

Fabry-Perot cavity

Résumé

Depuis 2015, des détecteurs terrestres détectent directement les ondes gravitationnelles grâce à un réseau d'observatoires d'ondes gravitationnelles, actuellement constitué de quatre détecteurs d'échelle kilométrique disséminés dans le monde. Le European Gravitational Observatory (EGO) héberge le détecteur Virgo, situé dans la campagne de Pise (Italie). EGO est un consortium franco-italo-néerlandais dont l'objectif est, entre autres, d'assurer le fonctionnement de l'antenne Virgo, sa maintenance, son exploitation et sa mise à niveau ; de mener des recherches dans le domaine de la gravitation d'intérêt commun pour les membres de la Collaboration Virgo ; de promouvoir les contacts entre scientifiques et ingénieurs ; de diffuser l'information et d'offrir une formation avancée aux jeunes chercheurs. Les trois premiers cycles d'observation de la version avancée de ces détecteurs ont révolutionné l'astrophysique. Ils ont non seulement détecté des centaines d'objets compacts binaires, ce qui a conduit à la détection multimessager révolutionnaire d'une étoile à neutrons binaire en combinant les ondes gravitationnelles et les observations électromagnétiques, mais ils ont également apporté de nouvelles connaissances sur l'évolution stellaire, la cosmologie ou les objets compacts, entre autres. Tous les détecteurs sont basés sur le principe de l'interféromètre de Michelson, amélioré pour atteindre la sensibilité nécessaire à la détection des ondes gravitationnelles. La principale modification est l'ajout de 4 cavités optiques, dont deux kilométriques, qui doivent être suspendues. Les deux cavités les plus courtes sont appelées cavités de recyclage et sont utilisées pour augmenter la puissance effective à l'intérieur de l'interféromètre et pour améliorer le rapport signal/bruit dans la gamme de fréquences la plus intéressante. Le contrôle des cavités les plus courtes a constitué un défi majeur lorsqu'il s'est agi d'atteindre la meilleure sensibilité du détecteur, en raison de leur nature marginalement stable. C'est pourquoi le détecteur Advanced Virgo sera mis à niveau après la quatrième campagne d'observation, qui doit se terminer au début de 2025. Le principal changement concerne le remplacement des cavités de recyclage marginalement stables par des cavités stables. Cela nécessitera le développement et la mise en œuvre d'un tout nouveau schéma de contrôle angulaire pour ces cavités. Le travail du doctorant sera réparti entre IJCLab à Orsay et EGO. IJCLab héberge la plateforme CALVA qui est conçue pour étudier le contrôle d'une cavité suspendue pour Advanced Virgo avec une cavité Fabry-Perot de 50m de long. Par conception, les outils utilisés sur la plateforme CALVA sont les mêmes que pour Virgo, ce qui facilite le partage de la technologie entre les systèmes et le test des techniques de contrôle. La première partie de la thèse sera consacrée à la familiarisation avec les stratégies de contrôle angulaire qui seront mises en œuvre lors de la mise en service de la phase II d'Advanced Virgo et avec les outils de simulation correspondants. Il s'agira en particulier d'étudier leur robustesse face aux défauts optiques (potentiels) du détecteur. Vers la fin de la première année, les cavités de recyclage stables seront installées sur le détecteur Advanced Virgo ; le candidat aura un rôle clé dans la mise en service du contrôle des cavités, et dans le réglage du point de fonctionnement du détecteur, tous deux cruciaux pour atteindre la meilleure sensibilité du détecteur et pour assurer un cycle de travail élevé en vue de la prochaine prise de données.

Ground-based detectors have been directly detecting gravitational waves since 2015, thanks to a network of gravitational waves observatories, presently formed by four kilometric-scale detectors scattered around the world. The European Gravitational Observatory (EGO) hosts the Virgo detector, located in the countryside of Pisa (Italy). EGO is a french-italian-deutch Consortium which purpose is, among others, ensuring the functioning of the Virgo antenna, its maintenance, operation and upgrades; carrying out research in the field of gravitation of common interest for the members of the Virgo Collaboration; promoting contacts among scientists and engineers; the dissemination of information and providing advanced training for young researchers. The first three observing runs of the Advanced version of these detectors have revolutionized astrophysics. Not only have they detected hundreds of Binary Compact Objects, which led to the ground-breaking multi-messenger detection of a Binary Neutron Star combining gravitational waves with electromagnetic observations, but also shed new insights about stellar evolution, cosmology or compact objects, among others. All the detectors are based on the Michelson interferometer principle, improved in order to reach the needed sensitivity to detect gravitational waves. The main modification being the addition of 4 optical cavities, two of them kilometric, that need to be suspended. The two shortest ones are called the recycling cavities and are used for increasing the effective power inside the interferometer and to improve the signal to noise ratio in the most interesting frequency range. The control of the shortest cavities has been a major challenge when trying to reach the best sensitivity of the detector due to their marginally-stable nature. For this reason, after the fourth Observing Run which is set to end in early 2025, the Advanced Virgo detector will be upgraded. The main change concerns the replacement of the marginally-stable recycling cavities by stable ones. This will require developing and implementing a completely new angular control scheme for them. The PhD candidate work will be splitted between IJCLab in Orsay and EGO. IJCLab hosts the CALVA platform which is designed to study the control of a suspended cavity for Advanced Virgo with a 50m-long Fabry-Perot cavity. By design, the tools used on the CALVA platform are the same as for Virgo, which facilitates sharing technology between the systems and testing control techniques. The first part of the PhD will be devoted to familiarizing with the angular control strategies that will be implemented during the commissioning of Advanced Virgo phase II and the corresponding simulation tools. In particular, focusing on their robustness against the detector (potential) optical defects. Near the end of the first year, the stable recycling cavities will be installed on the Advanced Virgo detector; the candidate will have a key role in the commissioning of the control of the cavities, and in the tuning of the working point of the detector, both crucial for reaching the best sensitivity of the detector and for ensuring high duty cycle in view of the next data taking.