GEO600 - GEO600

GEO600
2015 GEO 600.jpg
Emplacements) Sarstedt , Hildesheim , Basse-Saxe , Allemagne
Coordonnées 52°14′49″N 9°48′30″E / 52.2469°N 9.8083°E / 52,2469 ; 9.8083 Coordonnées: 52°14′49″N 9°48′30″E / 52.2469°N 9.8083°E / 52,2469 ; 9.8083 Modifiez ceci sur Wikidata
Organisation Collaboration scientifique LIGO Modifiez ceci sur Wikidata
Longueur d'onde 43 km (7,0 kHz) à 10 000 km (30 Hz)
Construit Septembre' '1995– ( septembre' '1995– ) Modifiez ceci sur Wikidata
Style de télescope observatoire à ondes gravitationnelles
interféromètre de Michelson Modifiez ceci sur Wikidata
Diamètre 600 m (1 968 pi 6 po) Modifiez ceci sur Wikidata
Site Internet www .geo600 .org Modifiez ceci sur Wikidata
GEO600 est situé en Allemagne
GEO600
Emplacement du GEO600
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GEO600 est un détecteur d'ondes gravitationnelles situé près de Sarstedt au sud de Hanovre , en Allemagne. Il est conçu et exploité par des scientifiques du Max Planck Institute for Gravitational Physics , du Max Planck Institute of Quantum Optics et de la Leibniz Universität Hannover , ainsi que de l' Université de Glasgow , de l' Université de Birmingham et de l'Université de Cardiff au Royaume-Uni, et est financé par le Société Max Planck et Conseil des installations scientifiques et technologiques (STFC). GEO600 est capable de détecter les ondes gravitationnelles dans la gamme de fréquences de 50 Hz à 1,5 kHz et fait partie d'un réseau mondial de détecteurs d'ondes gravitationnelles. Cet instrument et ses détecteurs interférométriques sœurs, lorsqu'ils sont opérationnels, sont parmi les détecteurs d'ondes gravitationnelles les plus sensibles jamais conçus. Ils sont conçus pour détecter des changements relatifs de distance de l'ordre de 10 −21 , soit environ la taille d'un seul atome par rapport à la distance du Soleil à la Terre. La construction du projet a commencé en 1995.

Histoire

Dans les années 1970, deux groupes en Europe, l'un dirigé par Heinz Billing en Allemagne et l'autre dirigé par Ronald Drever au Royaume-Uni, ont lancé des recherches sur la détection des ondes gravitationnelles par interférométrie laser. En 1975, l' Institut Max Planck d'Astrophysique de Munich a commencé avec un prototype de 3 m de longueur de bras, qui plus tard (1983), à l'Institut Max Planck d'optique quantique (MPQ) de Garching, a conduit à un prototype de 30 m de longueur de bras. En 1977, le Département de Physique et d'Astronomie de l'Université de Glasgow a commencé des recherches similaires, et en 1980 a commencé l'exploitation d'un prototype de 10 m.

En 1985 le groupe Garching proposa la construction d'un grand détecteur avec 3 km (2 mi) de longueur de bras, le groupe britannique un projet équivalent en 1986. Les deux groupes conjuguèrent leurs efforts en 1989 - le projet GEO était né, avec les montagnes du Harz ( Allemagne du Nord) considéré comme un site idéal. Le projet n'a cependant pas été financé, en raison de problèmes financiers. Ainsi, en 1994, un détecteur plus petit a été proposé : le GEO600, à construire dans les basses terres près de Hanovre, avec des bras de 600 m de long. La construction de ce détecteur d'ondes gravitationnelles anglo-allemand a commencé en septembre 1995.

En 2001, le Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, AEI) à Potsdam a repris la branche de Hanovre du MPQ, et depuis 2002, le détecteur est exploité par un centre commun de physique gravitationnelle de l'AEI et de la Leibniz Universität Hannover, en collaboration avec les universités de Glasgow et de Cardiff. Depuis 2002, GEO600 a participé à plusieurs séries de données en coïncidence avec les détecteurs LIGO. En 2006, le GEO600 a atteint la sensibilité de conception, mais jusqu'à présent aucun signal n'a été détecté. Le prochain objectif est de réduire le bruit résiduel par un autre facteur d'environ 10, jusqu'en 2016.

Matériel

GEO600 est un interféromètre de Michelson . Il se compose de deux bras de 600 mètres de long, que le faisceau laser passe deux fois, de sorte que la longueur effective du bras optique est de 1200 m. Les principaux composants optiques sont situés dans un système à ultra-vide. La pression est de l'ordre de 10 -8 mbar.

Suspensions et isolation sismique

Pour des mesures précises, l'optique doit être isolée du mouvement du sol et d'autres influences de l'environnement. Pour cette raison, tous les détecteurs d'ondes gravitationnelles interférométriques au sol suspendent leurs miroirs comme des pendules à plusieurs étages. Pour les fréquences supérieures à la fréquence de résonance du pendule, les pendules offrent une bonne isolation contre les vibrations. Toutes les optiques principales du GEO600 sont suspendues en triple pendule, pour isoler les miroirs des vibrations dans le plan horizontal. La masse supérieure et la masse intermédiaire sont suspendues à des ressorts en porte-à-faux, qui assurent une isolation contre les mouvements verticaux. Sur la masse supérieure se trouvent six actionneurs à bobine-aimant qui sont utilisés pour amortir activement les pendules. De plus, toute la cage de suspension repose sur des cristaux piézo. Les cristaux sont utilisés pour un « système d'isolation sismique actif ». Il déplace toute la suspension dans la direction opposée au mouvement du sol, de sorte que le mouvement du sol est annulé.

Optique

Les miroirs principaux du GEO600 sont des cylindres de silice fondue d'un diamètre de 18 cm et d'une hauteur de 10 cm. Le séparateur de faisceau (avec des dimensions de 26 cm de diamètre et 8 cm d'épaisseur) est la seule pièce optique transmissive dans le chemin de haute puissance, il a donc été fabriqué à partir de silice fondue de qualité spéciale. Son absorption a été mesurée comme étant inférieure à 0,25 ppm/cm.

Avancée

GEO600 utilise de nombreuses techniques et matériels avancés qui devraient être utilisés dans la prochaine génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles au sol :

  • Suspensions monolithiques : Les miroirs sont suspendus comme des pendules. Alors que des fils d'acier sont utilisés pour les miroirs secondaires, les miroirs principaux de GEO sont suspendus à des suspensions dites « monolithiques ». Cela signifie que les fils sont fabriqués à partir du même matériau que le miroir : la silice fondue. La raison en est que la silice fondue a moins de pertes mécaniques et que les pertes entraînent du bruit.
  • Entraînements électrostatiques : Des actionneurs sont nécessaires pour maintenir les miroirs en place et les aligner. Les miroirs secondaires du GEO600 ont des aimants collés sur eux à cet effet. Ils peuvent ensuite être déplacés par des bobines. Étant donné que le collage d'aimants sur des miroirs augmentera les pertes mécaniques, les miroirs principaux du GEO600 utilisent des entraînements électrostatiques (ESD). Les ESD sont une structure d'électrodes en forme de peigne à l'arrière du miroir. Si une tension est appliquée aux électrodes, elles produisent un champ électrique inhomogène. Le miroir ressentira une force dans ce champ.
  • Système d'actionnement du miroir thermique : Un système de chauffage est installé au niveau du miroir d'Extrême-Orient. Lorsqu'il est chauffé, un gradient thermique apparaît dans le miroir et le rayon de courbure du miroir change en raison de la dilatation thermique. Les éléments chauffants permettent un réglage thermique du rayon de courbure du miroir.
  • Recyclage du signal : Un miroir supplémentaire à la sortie de l'interféromètre forme une cavité résonante avec les miroirs d'extrémité et augmente ainsi un signal potentiel.
  • Détection homodyne (également appelée « lecture DC »)
  • Output Mode Cleaner (OMC) : Une cavité supplémentaire à la sortie de l'interféromètre devant la photodiode. Son but est de filtrer la lumière qui ne porte pas potentiellement de signal d'onde gravitationnelle.
  • Compression : Le vide comprimé est injecté dans le port sombre du séparateur de faisceau. L'utilisation de la compression peut améliorer la sensibilité du GEO600 au-dessus de 700 Hz d'un facteur de 1,5.

Une autre différence par rapport aux autres projets est que le GEO600 n'a pas de cavités de bras.

Sensibilité et mesures

La sensibilité à la déformation des ondes gravitationnelles est généralement mesurée en densité spectrale d'amplitude (ASD). La sensibilité maximale du GEO600 dans cet appareil est de 2×10 −22 1/ √ Hz à 600 Hz. Aux hautes fréquences, la sensibilité est limitée par la puissance laser disponible. Du côté des basses fréquences, la sensibilité du GEO600 est limitée par les mouvements sismiques du sol.

Coopération scientifique avec LIGO

En novembre 2005, il a été annoncé que les instruments LIGO et GEO ont commencé une longue course scientifique conjointe . Les trois instruments (les instruments de LIGO sont situés près de Livingston , en Louisiane et sur le site de Hanford , dans l'État de Washington aux États-Unis) ont collecté des données pendant plus d'un an, avec des pauses pour l'accordage et les mises à jour. Il s'agissait de la cinquième course scientifique du GEO600. Aucun signal n'a été détecté lors des analyses précédentes.

La première observation d'ondes gravitationnelles le 14 septembre 2015 a été annoncée par les collaborations interféromètres LIGO et Virgo le 11 février 2016. Cependant, l' interféromètre Virgo en Italie ne fonctionnait pas à l'époque, et le GEO600 était en mode ingénierie et n'est pas assez sensible , et n'a donc pas pu confirmer le signal. Le GEO600 a commencé à prendre des données simultanément avec Advanced LIGO le 18 septembre 2015.

Revendications sur les propriétés holographiques de l'espace-temps

Le 15 janvier 2009, il a été rapporté dans New Scientist que certains bruits encore non identifiés qui étaient présents dans les mesures du détecteur GEO600 pourraient être dus au fait que l'instrument est sensible à des fluctuations quantiques extrêmement faibles de l'espace-temps affectant les positions des parties du détecteur. Cette affirmation a été faite par Craig Hogan , un scientifique du Laboratoire Fermi , sur la base de sa propre théorie sur la façon dont de telles fluctuations devraient se produire, motivée par le principe holographique .

L' histoire du New Scientist indique que Hogan a envoyé sa prédiction de "bruit holographique" à la collaboration GEO600 en juin 2008, et a par la suite reçu un tracé de l'excès de bruit qui "semblait exactement le même que ma prédiction". Cependant, Hogan savait avant cette époque que l'expérience détectait un excès de bruit. L'article de Hogan publié dans Physical Review D en mai 2008 déclare : « L'accord approximatif du bruit holographique prédit avec le bruit autrement inexpliqué dans GEO600 motive une étude plus approfondie. Hogan cite une conférence de 2007 de la collaboration GEO600 qui mentionne déjà "le bruit 'mystère' de la bande moyenne", et où les spectres de bruit sont tracés. Une remarque similaire a été faite (« Dans la région entre 100 Hz et 500 Hz, un écart entre la somme non corrélée de toutes les projections de bruit et la sensibilité réelle observée est trouvé. ») dans un article GEO600 soumis en octobre 2007 et publié en mai 2008.

Il est très courant que les détecteurs d'ondes gravitationnelles trouvent un excès de bruit qui est ensuite éliminé. Selon Karsten Danzmann, l'investigateur principal du GEO600, "Le travail quotidien d'amélioration de la sensibilité de ces expériences génère toujours un excès de bruit (...). Nous travaillons pour identifier sa cause, l'éliminer et nous attaquer à la prochaine source de bruit excessif." De plus, certaines nouvelles estimations du niveau de bruit holographique en interférométrie montrent qu'il doit être beaucoup plus faible en amplitude que ne le prétend Hogan.

Données/ Einstein@home

Non seulement la sortie de la photodiode principale est enregistrée, mais également la sortie d'un certain nombre de capteurs secondaires, par exemple des photodiodes qui mesurent des faisceaux laser auxiliaires, des microphones, des sismomètres, des accéléromètres, des magnétomètres et les performances de tous les circuits de commande. Ces capteurs secondaires sont importants pour le diagnostic et pour détecter les influences environnementales sur la sortie de l'interféromètre. Le flux de données est en partie analysé par le projet informatique distribué « Einstein@home », un logiciel que les volontaires peuvent exécuter sur leur ordinateur.

À partir de septembre 2011, les détecteurs VIRGO et LIGO ont été arrêtés pour des mises à niveau, laissant le GEO600 comme le seul interféromètre laser à grande échelle opérationnel à la recherche d'ondes gravitationnelles. Par la suite, en septembre 2015, les détecteurs LIGO avancés ont été mis en ligne et ont été utilisés dans le premier cycle d'observation « O1 » à une sensibilité environ 4 fois supérieure à celle du LIGO initial pour certaines classes de sources (par exemple, les binaires d'étoiles à neutrons), et une une plus grande sensibilité pour les systèmes plus grands avec leur rayonnement maximal à des fréquences audio plus basses. Ces détecteurs LIGO avancés ont été développés dans le cadre de la collaboration scientifique LIGO avec Gabriela González en tant que porte-parole. D'ici 2019, la sensibilité des nouveaux détecteurs LIGO avancés devrait être au moins 10 fois supérieure à celle des détecteurs LIGO d'origine.

Voir également

Les références

Liens externes