Le groupe Ondes gravitationnelles fait partie de la collaboration scientifique LIGO / Virgo. Il contribue à la prise de données, à leurs analyses, et à la production de miroirs, en appui de la plateforme LMA de l’IP2I. L’objectif de LIGO / Virgo est de détecter et de caractériser les ondes gravitationnelles dont l’observation récente a ouvert le champ à une nouvelle astronomie, autrefois restreinte à la seule détection de rayonnement électromagnétique.

Grâce aux ondes gravitationnelles, il est désormais possible de regarder et écouter l’Univers à partir de plusieurs sources indépendantes ! Les ondes gravitationnelles (lien vers l’onglet gd public) permettent de recueillir sur l’Univers des informations complémentaires au messager historique qu’est le rayonnement électromagnétique (lumière visible, rayons X, ondes radio, micro-ondes, etc.).

Ce fut le cas, en 2017, lors de la première observation d’une onde gravitationnelle (GW170817) provenant de la coalescence de deux étoiles à neutrons. Cette découverte a marqué la naissance de l’astronomie multimessager.

Virgo et les deux détecteurs LIGO sont des interféromètres de Michelson: ils superposent deux rayons lasers parcourant deux bras perpendiculaires de plusieurs kilomètres pour obtenir un motif d’interférence qui peut être analysé. Les ondes gravitationnelles sont des vibrations de l’espace-temps: à leur passage les longueurs relatives des bras de l’interféromètre se trouvent très faiblement affectées (10-19 m) mais suffisamment toutefois pour induire un effet mesurable sur le motif d’interférence.

Le groupe Ondes gravitationnelles de l’IP2I est impliqué dans la prise de données des interféromètres de LIGO / Virgo et leur analyse, ainsi qu’au suivi de la qualité des détections. Le groupe participe également au développement et à la production des miroirs par le LMA.

Analyse des données

À l’IP2I, nous analysons les données des interféromètres LIGO et Virgo pour rechercher des signaux d’ondes gravitationnelles provenant de la coalescence d’objets compacts tels que des trous noirs ou des étoiles à neutrons.

Nous le faisons en utilisant le code d’analyse de Multi-Band Template Analysis, en collaboration avec nos collègues du Laboratoire d’Annecy de Physique des Particules (LAPP) et de l’Université d’Urbino en Italie.

L’analyse des données du troisième run d’observation O3 LIGO / Virgo est en cours et il existe par ailleurs une publication cataloguant les signaux d’ondes gravitationnelles observés à partir des coalescences d’objets compacts au cours des deux premiers runs d’observation.

Production de miroirs, Recherche & Développement

Tous les miroirs utilisés dans les interféromètres LIGO et Virgo (et aussi bien ceux de KAGRA) ont été réalisés par le Laboratoire des Matériaux Avancés (LMA), plateforme de l’IP2I. Le LMA est leader mondial de la fabrication d’optiques pour les détecteurs d’ondes gravitationnelles. Il est très actif dans la recherche et le développement de miroirs pour les détecteurs de nouvelle génération.

Consultez la page du LMA pour plus de détails

Caractérisation de détecteurs

Nous participons également à la prise des données avec le détecteur Virgo, ainsi qu’à la compréhension et au suivi de la qualité de ces données (sur site ou hors ligne). Les membres du groupe participent aux opérations de Virgo et sont actifs dans la caractérisation de sources de bruit de fond particulières, servant à établir des critères de qualité des données à utiliser dans les analyses. Périodiquement, les chercheurs du groupe sont chargés de suivre la qualité des données pour confirmer ou invalider, en temps réel, les éventuelles alertes pour des signaux d’ondes gravitationnelles.

Publications HAL


2021

Journal articles

B.P. Abbott, R. Abbott, T.D. Abbott, S. Abraham, F. Acernese, et al.. A Gravitational-wave Measurement of the Hubble Constant Following the Second Observing Run of Advanced LIGO and Virgo. Astrophys.J., 2021, 909 (2), pp.218. ⟨10.3847/1538-4357/abdcb7⟩. ⟨hal-02303025⟩

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02303025/file/Abbott_2021_ApJ_909_218.pdf

Preprints, Working Papers, ...

R. Abbott, T.D. Abbott, S. Abraham, F. Acernese, K. Ackley, et al.. Constraints on cosmic strings using data from the third Advanced LIGO-Virgo observing run. 2021. ⟨hal-03171349⟩ https://arxiv.org/pdf/2101.12248

N. Demos, M. Granata, S. Gras, A. Amato, G. Cagnoli, et al.. Optical and mechanical properties of ion-beam-sputtered Nb_2O_5 and TiO_2-Nb_2O_5 thin films for gravitational-wave interferometers. 2021. ⟨hal-03129540⟩ https://arxiv.org/pdf/2101.02222

Alex Fontana, Richard Pedurand, Vincent Dolique, Ghaouti Hansali, Ludovic Bellon. Thermal noise of a cryo-cooled silicon cantilever locally heated up to its melting point. 2021. ⟨ensl-03117929⟩

https://hal-ens-lyon.archives-ouvertes.fr/ensl-03117929/file/Cryo-NESS.pdf

2020

Journal articles

Eiichi Hirose, Garilynn Billingsley, Liyuan Zhang, Hiroaki Yamamoto, Laurent Pinard, et al.. Characterization of Core Optics in Gravitational-Wave Detectors: Case Study of KAGRA Sapphire Mirrors. Phys.Rev.Applied, 2020, 14 (1), pp.014021. ⟨10.1103/PhysRevApplied.14.014021⟩. ⟨hal-02905214⟩

J. Degallaix. OSCAR: A MATLAB based package to simulate realistic optical cavities. SoftwareX, 2020, 12, pp.100587. ⟨10.1016/j.softx.2020.100587⟩. ⟨hal-03115776⟩

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-03115776/file/hal-03115776.pdf

Huan Wang, Loïc Amoudry, Kevin Cassou, Ronic Chiche, Jérôme Degallaix, et al.. Prior-damage dynamics in a high-finesse optical enhancement cavity. Appl.Opt., 2020, 59 (35), pp.10995-11002. ⟨10.1364/ao.410407⟩. ⟨hal-03115777⟩

Benjamin P Abbott, Rich Abbott, Thomas D Abbott, Sheelu Abraham, Fausto Acernese, et al.. A guide to LIGO–Virgo detector noise and extraction of transient gravitational-wave signals. Class.Quant.Grav., 2020, 37 (5), pp.055002. ⟨10.1088/1361-6382/ab685e⟩. ⟨hal-02417088⟩ https://arxiv.org/pdf/1908.11170

Benjamin P Abbott, Rich Abbott, Thomas D Abbott, Sheelu Abraham, Fausto Acernese, et al.. Model comparison from LIGO–Virgo data on GW170817’s binary components and consequences for the merger remnant. Class.Quant.Grav., 2020, 37 (4), pp.045006. ⟨10.1088/1361-6382/ab5f7c⟩. ⟨hal-02999729⟩ https://arxiv.org/pdf/1908.01012

Massimo Granata, Alex Amato, Laurent Balzarini, Maurizio Canepa, Jérôme Degallaix, et al.. Amorphous optical coatings of present gravitational-wave interferometers. Class.Quant.Grav., 2020, 37 (9), pp.095004. ⟨10.1088/1361-6382/ab77e9⟩. ⟨hal-02317325⟩

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02317325/file/Granata_2020_Class._Quantum_Grav._37_095004.pdf

M. Granata, A. Amato, G. Cagnoli, M. Coulon, J. Degallaix, et al.. Progress in the measurement and reduction of thermal noise in optical coatings for gravitational-wave detectors. Appl.Opt., 2020, 59 (5), pp.A229-A235. ⟨10.1364/AO.377293⟩. ⟨hal-02458695⟩ https://arxiv.org/pdf/1912.11394

Alex Amato, Silvana Terreni, Massimo Granata, Christophe Michel, Benoit Sassolas, et al.. Observation of a Correlation Between Internal friction and Urbach Energy in Amorphous Oxides Thin Films. Sci.Rep., 2020, 10 (1), pp.1670. ⟨10.1038/s41598-020-58380-1⟩. ⟨hal-02483982⟩

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02483982/file/s41598-020-58380-1.pdf

F. Acernese, M. Agathos, L. Aiello, A. Allocca, M.A. Aloy, et al.. The advanced Virgo longitudinal control system for the O2 observing run. Astropart.Phys., 2020, 116, pp.102386. ⟨10.1016/j.astropartphys.2019.07.005⟩. ⟨hal-02491265⟩

R. Abbott, T.D. Abbott, S. Abraham, F. Acernese, K. Ackley, et al.. GW190412: Observation of a Binary-Black-Hole Coalescence with Asymmetric Masses. Phys.Rev.D, 2020, 102 (4), pp.043015. ⟨10.1103/PhysRevD.102.043015⟩. ⟨hal-02613266⟩

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02613266/file/PhysRevD.102.043015.pdf

R. Abbott, T.D. Abbott, S. Abraham, F. Acernese, K. Ackley, et al.. Gravitational-wave Constraints on the Equatorial Ellipticity of Millisecond Pulsars. Astrophys.J.Lett., 2020, 902 (1), pp.L21. ⟨10.3847/2041-8213/abb655⟩. ⟨hal-03171322⟩ https://arxiv.org/pdf/2007.14251

R. Abbott, T.D. Abbott, S. Abraham, F. Acernese, K. Ackley, et al.. Properties and Astrophysical Implications of the 150 M_\odot Binary Black Hole Merger GW190521. Astrophys.J.Lett., 2020, 900 (1), pp.L13. ⟨10.3847/2041-8213/aba493⟩. ⟨hal-02946170⟩ https://arxiv.org/pdf/2009.01190

B.P. Abbott, R. Abbott, T.D. Abbott, S. Abraham, F. Acernese, et al.. GW190425: Observation of a Compact Binary Coalescence with Total Mass \sim 3.4 M_{\odot}. Astrophys.J.Lett., 2020, 892 (1), pp.L3. ⟨10.3847/2041-8213/ab75f5⟩. ⟨hal-02440020⟩ https://arxiv.org/pdf/2001.01761

R. Abbott, T.D. Abbott, S. Abraham, F. Acernese, K. Ackley, et al.. GW190814: Gravitational Waves from the Coalescence of a 23 Solar Mass Black Hole with a 2.6 Solar Mass Compact Object. Astrophys.J.Lett., 2020, 896 (2), pp.L44. ⟨10.3847/2041-8213/ab960f⟩. ⟨hal-02892973⟩ https://arxiv.org/pdf/2006.12611

B.P. Abbott, R. Abbott, T.D. Abbott, S. Abraham, F. Acernese, et al.. Prospects for observing and localizing gravitational-wave transients with Advanced LIGO, Advanced Virgo and KAGRA. Living Rev.Rel., 2020, 23 (1), pp.3. ⟨10.1007/s41114-020-00026-9⟩. ⟨hal-02973168⟩

B.P. Abbott, R. Abbott, T.D. Abbott, S. Abraham, F. Acernese, et al.. Optically targeted search for gravitational waves emitted by core-collapse supernovae during the first and second observing runs of advanced LIGO and advanced Virgo. Phys.Rev.D, 2020, 101 (8), pp.084002. ⟨10.1103/PhysRevD.101.084002⟩. ⟨hal-02302999⟩ https://arxiv.org/pdf/1908.03584

Qu’est-ce que les ondes gravitationnelles ?

Les ondes gravitationnelles sont des «frémissements» de l’espace-temps causés par certains des processus les plus violents et les plus énergétiques de l’Univers, tels que la fusion des trous noirs et/ou des étoiles à neutrons, l’effondrement des supernovaes ou la rotation d’étoiles à neutrons qui ne sont pas parfaitement sphériques. En outre, les détecteurs d’ondes gravitationnelles pourraient éventuellement réussir à mesurer les restes du rayonnement gravitationnel de l’Univers primordial.

Les ondes gravitationnelles voyagent à travers l’Univers à la vitesse de la lumière, transportant des informations précieuses sur les phénomènes qui sont à leur source: les mesurer a des implications profondes pour l’astrophysique, la cosmologie, la physique nucléaire et aide à comprendre la nature de la gravité elle-même.

L’existence d’ondes gravitationnelles a été prédite par Einstein en 1916 et la première détection, par les interféromètres LIGO, s’est produite en 2015. Depuis, plusieurs signaux ont été (sont) détectés, donnant naissance à une nouvelle façon d’écouter l’Univers…

Pourquoi détecter les ondes gravitationnelles ?

Historiquement, les scientifiques se sont appuyés presque exclusivement sur le rayonnement électromagnétique (lumière visible, rayons X, ondes radio, micro-ondes, etc.) pour étudier l’Univers. Récemment, deux messagers supplémentaires sont venus apporter des informations supplémentaires et complémentaires: les neutrinos et les ondes gravitationnelles.

Les ondes gravitationnelles sont totalement indépendantes du rayonnement EM et interagissent très faiblement avec la matière, ce qui nous permet d’obtenir des informations non déformées sur leur origine et d’observer des événements invisibles au rayonnement EM (comme les trous noirs en collision).

Enfin, dans certains cas, un même événement peut donner lieu à plusieurs signaux détectables, du rayonnement EM aux neutrinos et aux ondes gravitationnelles: on peut désormais regarder et écouter l’Univers à partir de plusieurs sources indépendantes!

Ce fut le cas, pour la première fois, lors de la coalescence de deux étoiles à neutrons GW170817 qui a marqué la naissance de l’astronomie multimessager.

De nos jours, chaque fois qu’un signal est détecté par LIGO / Virgo, une alerte automatique est générée, pour que les astronomes et les physiciens des neutrinos puissent faire des observations associées!

Comment détecter les ondes gravitationnelles ?

Virgo et les deux détecteurs LIGO sont des interféromètres de Michelson: ils superposent deux sources lumineuses pour obtenir un motif d’interférence qui peut être analysé. Ils sont composés de deux bras perpendiculaires de même longueur, où deux faisceaux de laser sont piégés par des miroirs et convergent vers un photodétecteur, conçu pour être en parfaite interférence destructive en l’absence d’ondes gravitationnelles.

Les ondes gravitationnelles sont des vibration de l’espace-temps : à leur passage, l’espace lui-même s’étire dans une direction, tout en se comprimant dans la direction perpendiculaire. Le passage d’une onde gravitationnelle fait donc osciller la longueur d’un bras de l’interféromètre, induisant un effet mesurable sur le motif d’interférence.

De tels changements de longueur sont très faibles (de l’ordre de 10-19 mètres !) et donc très difficiles à détecter, par dessus du bruit de fond : la détection des ondes gravitationnelles par LIGO et Virgo est un énorme succès également du point de vue technologique.

Pour plus d’informations et de matériel pédagogique, vous pouvez consulter les sites Web Virgo et LIGO.

Actualités de Virgo et LIGO

La deuxième partie du troisième run d’observation, O3b se poursuit jusqu’en avril 2020.

Consultez la liste des alertes publiques pour les signaux d’ondes gravitationnelles!

Le futur

Après la fin du troisième run d’observation, en avril 2020, d’importantes améliorations sont prévues pour les détecteurs LIGO et Virgo, conduisant à une sensibilité accrue. Une quatrième période d’observations devrait commencer en 2021, où les détecteurs LIGO et Virgo seront également rejoints par l’interféromètre KAGRAdéjà opérationnel au Japon (qui pourrait même rejoindre la prise de données d’ici la fin de O3). Une cinquième série d’observations, prévue pour le milieu des années 2020, verra également la participation de l’interféromètre LIGO-Inde, un projet Indo-États-Unien.

À plus long terme, plusieurs projets existent pour continuer à explorer l’Univers avec les ondes gravitationnelles, soit sur terre avec une sensibilité accrue (Einstein Telescope, Cosmic Explorer) ou dans l’espace, en regardant différentes fréquences et donc différents phénomènes (LISA).

Page analyse de données par le grand public : Cette page qui permet au grand public d’analyser des vraies données.