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Virgo (interféromètre)

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Virgo
Logo de l'organisation
Carte de l'organisation
  • Membres fondateurs
  • Membres adhérents
Situation
Création 27 juin 1994 (accord CNRS-INFN)[1]
Type Collaboration scientifique internationale
Domaine Recherche fondamentale, ondes gravitationnelles
EGO Santo Stefano a Macerata, Cascina (Italie)
Coordonnées 43° 37′ 53″ N, 10° 30′ 18″ E
Budget Une dizaine de millions d'euros par an, dont environ la moitié financée par le CNRS
Organisation
Membres CNRS (France), INFN (Italie), Nikhef (Pays-Bas), POLGRAW (Pologne) et RMKI (Hongrie), UV (Espagne)
Effectifs Plus de 850 personnes
Porte-parole Gianluca Gemme
Organisations affiliées LVC (LIGO Scientific Collaboration (en) et Virgo Collaboration)
Site web http://www.virgo-gw.eu
Géolocalisation sur la carte : Italie
(Voir situation sur carte : Italie)
Virgo
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Virgo est un détecteur d'ondes gravitationnelles, construit à Santo Stefano a Macerata, un hameau de Cascina, près de Pise en Italie. Il s'articule autour d'un interféromètre de Michelson des bras de 3 km de long, dont les composants sont isolés des perturbations extérieures via des systèmes de suspension et un ultravide. Il est dédié à la détection directe des ondes gravitationnelles prédites par la relativité générale.

Virgo est hébergé par l'Observatoire Gravitationnel Européen (EGO), un consortium fondé par le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) et son homologue italien l'Istituto nazionale di fisica nucleare (INFN)[2]. La collaboration Virgo regroupe les chercheurs travaillant sur l'instrument et s'occupe de son opération et sa stratégie d'observation et d'amélioration. Elle comprend plusieurs centaines de membres, répartis dans 16 pays différents[3]. Ses observations sont réalisées en collaboration avec d'autres détecteurs similaires, incluant les deux détecteurs américains LIGO (situés à Hanford et Livingston) et l'interféromètre japonais KAGRA (dans l'observatoire de Kamioka). La coopération entre plusieurs détecteurs est cruciale pour détecter les ondes gravitationnelles et déterminer leur origine, ce pourquoi les collaborations LIGO et Virgo partagent leurs données depuis 2007, rejointes par KAGRA en 2019 pour former la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA (LVK)[4].

Virgo est nommé d'après l'amas de la Vierge (Virgo en latin), un amas d'environ 1 500 galaxies situé à environ 50 millions d'années-lumière de la Terre dans la constellation de la Vierge. Fondé alors que les ondes gravitationnelles n'étaient qu'une simple prédiction de la relativité générale, il a participé à de multiples détections d'ondes gravitationnelles, avec une première détection en 2017 (en coopération avec LIGO), rapidement suivie de GW170817, seul évènement à avoir été observé avec des méthodes plus classiques (optique, rayons gammas, rayons X, ondes radios) à l'heure actuelle (2024)[5]. Le détecteur participe actuellement à des périodes d'observation jointes avec les autres détecteurs, entrecoupées de périodes de mise à niveau durant lesquelles des améliorations sont réalisées pour augmenter sa sensibilité[6].

Organisation

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Le détecteur Virgo est hébergé par l'Observatoire gravitationnel européen (EGO), un consortium créé en par le CNRS et l'INFN[7]. Ces deux organismes ont été par la suite rejoints par leur équivalent néerlandais, le Nikhef, d'abord en tant qu'observateur puis membre à part entière. EGO est responsable de la gestion du site de Virgo, ainsi que de la construction, maintenance et opération du détecteur. Il a également pour but de promouvoir la recherche sur la gravitation en Europe[2].

La collaboration Virgo rassemble tous les chercheurs travaillant sur les différents aspects du détecteur. En , elle comporte aux alentours de 850 membres, répartis dans 142 institutions et 16 pays[8]. Ceux-ci incluent la France, l'Italie, les Pays-bas, la Pologne, l'Espagne, la Belgique, l'Allemagne, la Hongrie, le Portugal, la Grèce, la Tchéquie, le Danemark, l'Irlande, Monaco, la Chine et le Japon[9].

La collaboration Virgo fait partie de la plus large collaboration LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), qui regroupe en plus les membres des autres grands détecteurs d'ondes gravitationnelles, principalement afin d'organiser l'analyse jointe des données, qui est cruciale pour la détection d'ondes gravitationnelles[10]. La collaboration LVK s'est formée en 2007[4] en tant que collaboration LIGO-Virgo, et s'est étendue en 2019 avec l'arrivée de KAGRA[11].

En France, un grand nombre de laboratoires sont impliqués dans la collaboration Virgo ; de nombreux ont rejoint la collaboration dans les dernières années à la suite des premières observations. Six laboratoires français (tous en cotutelle CNRS) étaient membres de la collaboration Virgo lors de la première détection en 2015[12] :

  • le laboratoire Astroparticules et Cosmologie (APC), situé sur le campus de l'université Paris-Diderot. Formée en 2008, cette équipe a travaillé sur la réalisation des télescopes d'adaptation de faisceau, ainsi que la recherche d'évènements[13] ;
  • le laboratoire ARTEMIS de l'observatoire de la Côte d'Azur (OCA) à Nice. Créé en 1999, le groupe est responsable du système d'injection du laser, de développements théoriques sur les interféromètres et sur le développement des logiciels de contrôle. Il abrite également de nombreuses activités d'analyse de données, incluant des recherches de fond stochastiques ou d'évènements non-modélisés, sur les évènements multi-messagers ou sur les populations de sources astrophysiques[14],[15] ;
  • le Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique des particules (LAPP), situé sur le campus d'Annecy-le-Vieux de université Savoie-Mont-Blanc. Impliqué dès 1990, il a conçu et fabriqué les enceintes à vide accueillant les miroirs, travaillé sur les dispositifs de contrôle de l'interféromètre, et accueille une activité d'analyse de données, notamment sur la reconstruction du signal et sur la détection d'évènements[16] ;
  • le Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire (LAL), situé sur le campus d'Orsay de l'Université Paris-Sud. Aujourd'hui regroupé au sein de l'IJCLab, il fait partie des membres fondateurs de la collaboration, accueillant de nombreuses activités d'analyse de données allant de la caractérisation du détecteur à l'astronomie multi-messager, en passant par la détection de différents types d'évènements. Il est également impliqué dans l'utilisation des états comprimés, abritant la plateforme de test CALVA[17] ;
  • le Laboratoire des Matériaux avancés (LMA), situé sur le campus de université Claude-Bernard-Lyon-I. Il est en particulier responsable de la fabrication des miroirs et autres grandes optiques de l'interféromètre[18] ;
  • le laboratoire Kastler-Brossel (LKB) de l'École Normale Supérieure. Le laboratoire est impliqué dans la réalisation du dispositif d'états comprimés, ainsi que sur le contrôle du bruit de pression de radiation[19].

Histoire

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Le projet Virgo a été approuvé en 1992 par le CNRS français et en 1993 par l'INFN italien, les deux instituts à l'origine de cette expérience. La construction du détecteur a débuté en 1996 sur le site de Cascina près de Pise en Italie, et s'est achevée en 2003. Après plusieurs phases de prise de données sans observations, l'interféromètre est mis hors service en 2011 afin de permettre une amélioration significative de sa sensibilité, à travers le projet Advanced Virgo. Il a repris les observations en 2017, réalisant rapidement ses premières détections aux côtés de LIGO.

Conception

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Bien que le concept d'ondes gravitationnelles soit vieux de plus de 100 ans, avec une première prédiction par Einstein en 1916[20], des projets sérieux pour les détecter ne sont apparus qu'au début des années 1970. Les premiers, aujourd'hui connus sous le nom de barres de Weber (d'après leur inventeur Joseph Weber), ont connu une certaine popularité mais n'ont jamais permis de réaliser une véritable détection. En revanche, ces premiers essais ont permis la formation de nombreux groupes dédiés aux ondes gravitationnelles[21].

L'idée d'un grand détecteur interférométrique a commencé à gagner en crédibilité au début des années 1980, et en 1985, le projet Virgo est formulé par le chercheur italien Adalberto Giazotto et le français Alain Brillet à la suite de leur rencontre à Rome. Une des idées clés qui sépare Virgo d'autres projets similaires est l'objectif d'observer des basses fréquences (autour de 10 Hz), là où la plupart visent les hautes fréquences (500 Hz). De nombreux chercheurs considèrent cet objectif comme inatteignable, et seules la France et l'Italie s'engagent dans le projet[22], qui est présenté pour la première fois en 1987[23]. Après l'approbation du CNRS et de l'INFN quelques années plus tard, la construction de l'interféromètre commence en 1996, avec pour objectif de commencer les observations autour de l'an 2000[24].

Le premier but de Virgo est alors la détection directe des ondes gravitationnelles. L'étude du pulsar binaire 1913+16 sur plus de 30 ans avait déjà conduit à une preuve indirecte de leur existence, menant au prix Nobel de physique pour ses découvreurs en 1993. En effet, la diminution de la période orbitale de ce système binaire est cohérente avec l'hypothèse que le système perd de l'énergie par l'émission d'ondes gravitationnelles[25].

Détecteur Virgo initial

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Durant les années 2000, la construction du détecteur s'est achevée, et les premières périodes d'observations ont été réalisées. L'instrument a atteint la sensibilité prévue, permettant de valider les choix techniques de Virgo et d'établir les grands interféromètres comme une technique prometteuse pour la détection d'ondes gravitationnelles dans une large bande de fréquence[26],[27]. Cette phase esst généralement nommée « Virgo initial », ou « Virgo original ».

La construction du détecteur Virgo initial s'est achevée en [28] et plusieurs séries de prise de données, dont certaines en coïncidence avec les détecteurs LIGO, ont eu lieu entre 2007 et 2011[29],[30]. Le détecteur est éteint pendant quelques mois en 2010, afin de permettre le remplacement des suspensions des miroirs par de la fibre de verre au lieu de l'acier, permettant de réduire le bruit thermique[31].

Cependant, le détecteur initial se révèle trop peu sensible pour détecter des ondes gravitationnelles. Après plusieurs mois d'observations avec les nouvelles suspensions, il est mis hors-service en pour permettre l'installation d'Advanced Virgo[32].

Détecteur Advanced Virgo

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Figure représentant le premier évènement observé par Virgo. Elle est découpée en 3 colonnes, correspondant chacune à un détecteur, et 3 lignes. La première représente le rapport signal sur bruit (avec un pic au temps de l'évènement), la deuxième est un diagramme temps fréquence (avec une trace bien visible précédant l'évènement), et la troisième représente la sortie du détecteur, avec le signal reconstruit surimposé.
Premier évènement observé par Virgo, le (GW170814)

Le projet Advanced Virgo avait pour but d'augmenter la sensibilité du détecteur d'un facteur 10, lui permettant ainsi d'explorer un volume d'univers 1 000 fois plus large[33]. Bénéficiant de l'expérience acquise sur le détecteur initial, Advanced Virgo garde la même infrastructure que Virgo pour ce qui est du vide (avec toutefois l'ajout de pièges cryogéniques aux extrémités des bras pour piéger les particules résiduelles), avec de grosses modifications sur le reste de l'interféromètre. Il prévoyait des miroirs plus gros (350 mm de diamètre, poids de 40 kg) et avec de meilleures performances optiques[34] ; les éléments optiques les plus sensibles utilisés pour contrôler l'interféromètre seraient sous vide et suspendus. Un système d'optique adaptative serait aussi installé pour corriger in-situ les aberrations des miroirs. Dans sa configuration finale, le laser devait délivrer une puissance de 200 W[34].

Le détecteur débute sa mise en service en 2016, rejoignant les deux détecteurs LIGO le durant la période d'observation "O2". Il réalise rapidement sa première observation (GW170814) le , en collaboration avec LIGO, marquant ainsi le premier signal observé avec trois détecteurs[35],[36].

Quelques jours plus tard, le signal GW170817 est détecté par LIGO et Virgo. Issu de la fusion d'une binaire d'étoile à neutrons, il représente la première observation de ce type d'objet, et le premier signal à avoir été observé par d'autres moyens que des ondes gravitationnelles. En effet, l'évènement a également été observé en tant que sursaut gamma, puis quelques heures plus tard par des télescopes optiques identifiant la kilonova associée[5].

Après la fin de la période O2 en , le détecteur reçoit de nouveaux des améliorations, et entame la troisième période d'observation ("O3) en . Initialement prévue pour durer un an, elle est interrompue par la pandémie de Covid-19 le [37].

Les améliorations suivant la prise de données O3 font partie du programme « Advanced Virgo + », divisé en deux phases. La première, prenant place entre les périodes O3 et O4, vise à réduire le bruit quantique en introduisant un laser plus puissant, en améliorant le squeezing introduit durant O3, en en implémentant une nouvelle technique appelée recyclage de signal. Des capteurs sismiques sont également installés autour des miroirs. La phase 2 vise ensuite à réduire le bruit thermique des miroirs, notamment par le changement de la géométrie du laser et l'augmentation de la taille des miroirs (répartissant ainsi l'énergie sur une plus grande surface), ainsi que l'amélioration de leur revêtement; cela implique également une amélioration de la suspension. Elle prévoit aussi de continuer les efforts de la phase 1 sur la réduction du bruit quantique[38].

La 4e période d'observation ("O4") devait démarrer en , pour une durée totale de 20 mois (incluant 2 mois de pause)[6]. Cependant, la collaboration Virgo annonce le que le détecteur ne rejoindra pas le début de O4, l'interféromètre n'étant pas suffisamment stable pour atteindre la sensibilité requise et nécessitant le remplacement d'un des miroirs[39]. Virgo n'a finalement pas rejoint la première partie d'O4 ("O4a"), qui s'est terminée le , ayant seulement atteint une sensibilité de 45 Mpc au lieu des 80 à 115 initialement prévus. Il a cependant rejoint la deuxième partie ("O4b"), qui a débuté le , avec une sensibilité entre 50 et 55 Mpc. En , la fin de la période O4 est annoncé être décalée à , pour permettre une meilleure préparation pour les améliorations prévues pour O5[6].

Futur

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Après la fin d'O4, le détecteur connaîtra à nouveau une période d'améliorations, correspondant à la phase 2 d'Advanced Virgo+. La période d'observation suivante, O5, est prévue pour commencer en  ; la sensibilité visée par Virgo était initialement de 150 à 260 Mpc, mais est en train d'être revue à la suite de la performance durant O4. Les plans de Virgo pour O5 devraient être connues d'ici la fin de l'année 2024[6].

Aucun plan officiel n'a été annoncé pour le futur de Virgo au-delà de la période O5, bien que des projets pour continuer les améliorations des détecteurs aient été suggérés. Le projet de continuer le travail sur le détecteur après O5 est connu sous le nom de Virgo_nEXT[40].

Objectifs scientifiques

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Article détaillé : Détection interférométrique terrestre d'ondes gravitationnelles#Objectifs scientifiques.
Simulation numérique de l'émission d'ondes gravitationnelles par une binaire de trous noirs
Exemple typique du « chirp », issu du signal GW170817. L'axe horizontal représente le temps, et l'axe vertical la fréquence ; la façon dont la fréquence du signal augmente avec le temps est caractéristique d'une fusion de binaires compactes, et la forme exacte du signal est déterminée par les masses des objets.

Virgo est conçu pour la recherche d'ondes gravitationnelles émises par des sources astrophysiques à traver l'univers, qui peuvent être classées en trois grandes familles[41] :

  • les sources transientes, qui correspondent aux objets détectables uniquement sur une courte durée. Les principales sources de cette catégorie sont les coalescences de binaires compactes (CBC), correspondant à des binaires de trous noirs (ou d'étoiles à neutrons) qui fusionnent, émettant un signal augmentant rapidement avec le rapprochement des deux objets et devenant détectables durant les derniers instants du processus. Les autres sources possibles d'ondes gravitationnelles de courte durée sont les supernovas, les instabilités dans des systèmes compacts, ou des sources plus exotiques comme les cordes cosmiques ;
  • les sources continues, qui émettent un signal observable sur de longues durées. Les principaux candidats sont les étoiles à neutrons en rotation rapide (pulsars), qui pourraient émettre des ondes gravitationnelles si elles ne sont pas parfaitement sphériques (par exemple s'il existe des minuscules « montagnes » à leur surface) ;
  • un fond stochastique d'ondes gravitationnelles, qui est un type de signal généralement continu dont l'origine est étalée sur de larges régions du ciel plutôt qu'une source précise. Il pourrait être composé des signaux cumulés d'un grand nombre de sources individuelles des catégories ci-dessus, ou provenir des premiers instants de l'univers.

La détection de ces différentes sources avec des ondes gravitationnelles fournit un nouveau moyen de les observer (fournissant souvent des informations différentes des moyens plus classiques comme les télescopes), et permet également de sonder les propriétés fondamentales de la gravité, comme la polarisation des ondes gravitationnelles[42], le lentillage gravitationnel[43] ou plus généralement à quel point les signaux observés sont correctement décrits par la relativité générale[44]. Elle fournit également un moyen de mesurer des paramètres cosmologiques comme la constante de Hubble[45].

Instrument

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Photo aérienne de l'instrument. Les deux bras de l'interféromètre sont visibles sous la forme de longs tubes émergeant du bâtiment central carré et s'étendant sur 3 km ; ils sont entourés de champs. Près du bâtiment central, d'autres bâtiments sont visibles.
Vue aérienne du site de l'expérience Virgo montrant le bâtiment central, le bâtiment abritant le nettoyage de modes, l'ensemble du bras ouest de 3 km de long et le début du bras nord (à droite). Les autres bâtiments abritent bureaux, ateliers, les ressources informatiques du site et la salle de contrôle de l'interféromètre. Lors de cette prise de vue, le bâtiment abritant l'auditorium, la direction et la cantine n'avait pas encore été construit.
Animation représentant le principe de la détection d'ondes gravitationnelles dans un interféromètre tel que Virgo. Les déplacements des miroirs et de la phase sont largement exagérés ; le temps est également ralenti de plus d'un facteur 10.
Schéma représentant les différents systèmes de Virgo durant la période O4 (2023-2024). Il inclut notamment le miroir de recyclage de signal et la cavité de filtrage pour l'injection d'états comprimés, absents de la période précédente. Toutes les puissances de laser indiquées sont indicatives, car elles peuvent rapidement changer.

Principe

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Article détaillé : Détection interférométrique terrestre d'ondes gravitationnelles#Principe.

En relativité générale, une onde gravitationnelle est une perturbation de l'espace-temps qui se propage à la vitesse de la lumière. Elle courbe celui-ci légèrement, ce qui modifier le chemin parcouru par la lumière localement. Concrètement, ce changement peut être détecté à l'aide d'un interféromètre de Michelson, dans lequel un laser est divisé en deux faisceaux qui voyagent dans des directions orthogonales, rebondissant sur un miroir situé à l'extrémité de chaque bras. Quand une onde gravitationnelle passe, le chemin des deux faisceaux est affecté d'une manière différente ; ils sont ensuite recombinés, et le schéma d'interférences obtenu est mesuré à l'aide d'une photodiode. Comme la déformation induite est très petite, la conception de l'instrument requiert une précision extrêmement élevée dans le positionnement des miroirs, la stabilité du laser, les mesures, ainsi qu'une excellente isolation du monde extérieur afin de réduire les perturbations[46].

Laser et système d'injection

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Le laser est la source de lumière de l'instrument. Il doit délivrer une puissance élevée, tout en étant extrêmement stable en fréquence et en amplitude[47]. Afin de remplir ces différents critères (qui sont généralment en contradiction), le faisceau commence avec un laser de basse puissance, mais très stable[48]. La lumière du laser passe ensuite à travers plusieurs amplificateurs pour augmenter sa puissance d'un facteur 100. Une puissance de sortie de 50 W a été atteinte par la dernière configuration du détecteur Virgo initial, et est devenue par la suite 100 W durant la période O3, à la suite des améliorations de Advanced Virgo ; elle est supposée atteindre 130 W durant la période O4[38]. Le détecteur Virgo originel utilisait un système de laser maître-esclave, dans lequel le système « maître » (un laser Nd-YAG) est utilisé pour stabiliser un laser haute-puissance « esclave » (un laser Nd:YVO4)[49]. La solution retenue pour Advanced Virgo est d'utiliser un laser à fibre, avec un étage d'amplification également composé de fibres, afin d'améliorer la résilience du système ; dans sa configuration finale l'instrument doit combiner la lumière de deux lasers pour atteindre la puissance attendue[34],[50]. La longueur d'onde du laser est de 1 064 nanomètres, à la fois pour la configuration initiale et pour Advanced Virgo[38].

Le laser est introduit dans l'interféromètre après être passé à l'intérieur du système d'injection, qui améliore la stabilité du faisceau, ajuste sa forme et sa puissance, et le positionne correctement pour entrer dans l'interféromètre. Les composants les plus importants de ce système sont la cavité de nettoyage de modes d'entrée (mesurant 140 mètres et conçue pour améliorer la qualité du faisceau en stabilisant la fréquence, en éliminant la lumière qui se propage de manière non voulue et en réduisant l'effet de mauvais alignement du laser), un isolateur de Faraday qui empêche la lumière de revenir jusqu'au laser, et un télescope de couplage de modes, qui permet d'adapter la taille et la position du faisceau juste avant qu'il intègre l'interféromètre[34].

Photo d'un miroir exposé dans le hall d'un des bâtiments du site Virgo. Le miroir est entouré de son support, avec 4 attaches maintenant le miroir.
Un des miroirs du détecteur Virgo initial, actuellement exposé sur le site de Virgo.

Miroirs

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Les grands miroirs situé dans les bras du détecteur sont parmi les éléments optiques les plus critiques de l'interféromètre. Ceux-ci comprennent les deux miroirs situés à la fin des deux bras de 3 km, et les deux miroirs d'entrée, qui sont situés au début de chaque bras. Ensemble, ces miroirs forment une cavité résonante dans chaque bras, dans laquelle la lumière rebondit des milliers de fois avant de revenir dans la lame séparatrice, maximisant l'effet du signal sur le chemin parcouru dans le laser[51]. Cela permet également d'augmenter la puissance de la lumière circulant à l'intérieur des bras. Ces miroirs sont conçus spécifiquement pour Virgo et emploient des technoogies de pointe. Ils sont de forme cylindrique et mesurent 35 cm de diamètre, avec 20 cm d'épaisseur[34], et faits d'un des verres les plus purs au monde[52]. Les miroirs sont polis au niveau atomique pour éviter de diffuser (et donc perdre) de la lumière[53]. Enfin, un revêtement réflechissant (un réseau de Bragg réalisé par pulvérisation cathodique) est appliqué. Les miroirs en bout de bras réflechissent pratiquement toute la lumière qu'ils reçoivent, avec des pertes de seulement 0,002 %[54].

Deux autres grands miroirs sont présents dans la configuration actuelle :

  • le miroir de recyclage de puissance, placé entre le laser et la séparatrice. Comme la majorité de la lumière est renvoyée vers l'entrée lorsqu'elle quitte l'interféromètre, ce miroir permet de réinjecter cette lumière dans les bras, permettant d'atteindre des puissances plus élevées ;
  • le miroir de recyclage de signal, placé au niveau de la sortie de l'interféromètre, permet de réinjecter une partie du faisceau transportant le signal dans le détecteur (le miroir est prévu pour avoir une transmission de l'ordre de 40 %), formant une nouvelle cavité. En ajustant le miroir de recyclage de signal, le bruit quantique peut être réduit pour une partie de la bande de fréquence, tout en étant augmentée dans le reste, permettant ainsi d'« accorder » l'interféromètre pour détecter certaines fréquences. Il est actuellement prévu pour fonctionner en « large bande », réduisant le bruit à haute et basse fréquence mais l'augmentant aux fréquences intermédiaires. Le bruit réduit à haute fréquence permet en particulier d'étudier les moments qui entourent la fusion de deux objets compacts[21],[38].

Superatténuateurs

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Schéma d'une suspension « superatténuateur » d'un miroir de Virgo. Sa structure en pendule inversée (le « sommet » du pendule est en bas, ce qui permet de diminuer la fréquence de résonance de l'ensemble) contient une chaîne de filtres successifs qui atténuent le bruit sismique puis, en bas, la suspension du miroir. Ce dernier étage permet de contrôler la position du miroir pour des fréquences supérieures à 10 MHz.

Afin de réduire le bruit sismique qui pourrait atteindre les miroirs et masquer les signaux d'ondes gravitationnelles, les grands miroirs sont suspendus par un système complexe. Chacun des miroirs principaux est suspendu par quatre fines fibres en silice[55] qui sont elles-mêmes attachées à une série d'atténuateurs sismiques. Cette chaîne de suspension, appelée « superatténuateur », fait près de 8 mètres de haut et est placée sous vide[56]. La chaîne de suspension permet non seulement de limiter l'influence des perturbations locales sur les miroirs, mais aussi de contrôler très finement leur position et leur orientation. Les bancs optiques sur lesquelles sont montées les systèmes d'injection et de détection sont également suspendues et sous vide, afin de limiter les bruits acoustiques et sismiques. Dans le projet Advanced Virgo, l'instrumentation utilisée pour détecter le signal d'ondes gravitationnelles et contrôler l'interféromètre (photodiodes, caméras et leurs électroniques associées) est également installée sur plusieurs bancs optiques suspendus et placés sous vide[34].

La conception de ces superatténuateurs est principalement basée sur l'atténuation passive du bruit sismique, qui est réalisée en formant une chaîne de pendules, qui agissent chacun comme un oscillateur harmonique. Ils sont caractérisés par une fréquence de résonance (qui diminue avec la longueur du pendule), au-dessus de laquelle le bruit est amorti. Il est nécessaire d'en enchaîner plusieurs afin de réduire le bruit de 12 ordres de grandeur, au prix d'avoir plusieurs fréquences de résonance collectives qui sont plus élevées que la fréquence d'un unique pendule de 8 m[57]. Dans la configuration actuelle, la fréquence de résonance la plus élevée est autour de 2 Hz, permettant d'atténuer le bruit à partir de 4 Hz[34] et d'atteindre le niveau requis pour la détection d'ondes gravitationnelles autour de 10 Hz. Une des limites de ce système est que le bruit autour de la fréquence de résonance n'est pas filtré, et pourrait générer de grosses oscillations. Un système d'atténuation active est employé pour éviter ce cas de figure, incluant des sismogrammes pour mesurer le bruit sismique et le contrecarrer à l'aide d'actionneurs qui contrôlent le superatténuateur[57].

Système de détection

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Une partie de la lumière circulant dans les bras quitte en permanence l'interféromètre pour être dirigée vers le système de détection. Dans sa configuration optimale, l'interféromètre fonctionne en « frange noire », ce qui signifie que seule une petite partie de la lumière est envoyée vers la sortie (le reste repartant vers l'entrée, où elle est récupérée avec le miroir de recyclage de puissance). Une fraction de la lumière sortante est réfléchie par le miroir de recyclage de signal, et le reste est collecté par le système de détection. Il passe d'abord dans la cavité de nettoyage de modes de sortie, qui permet de filtrer les « modes d'ordre supérieur » (correspondant à de la lumière se propageant de manière non voulue, typiquement à cause de petits défauts dans les miroirs, et qui peut affecter la mesure[58]), avant d'atteindre les photodiodes qui mesurent l'intensité de la lumière. La cavité de nettoyage de modes et les photodiodes sont toutes deux suspendues et sous vide[33].

Banc de détection de Virgo. Il s'agit d'une structure octogonale en métal plate, sur laquelle est disposé un système optique complexe, incluant plusieurs miroirs.
Banc de détection de Virgo avant son installation en . Il mesure 88 cm de large et accueille la cavité de nettoyage de modes ; les photodiodes sont placées sur un autre banc.

À partir de la période O3, une source de vide comprimé a été introduite pour réduire le bruit quantique, qui est une des principales limites de la sensibilité du détecteur. En remplaçant le vide standard par un vide comprimé, les fluctuations d'une quantité (soit l'amplitude soit la phase de la lumière dans le cas de Virgo) sont réduites, au prix d'augmenter les fluctuations de l'autre quantité en raison du principe d'incertitude. Cette idée a été proposée dès 1981 par Carlton Caves (en), dès les débuts de la conception de détecteurs d'ondes gravitationnelles[59]. Durant la période O3, une compression indépendante de la fréquence a été implémentée, signifiant que la compression du vide est la même pour toutes les fréquences. Elle a été utilisée pour réduire le bruit de grenaille (dominant à haute fréquence) et augmenter le bruit de pression de radiation (plus élevé à basse fréquence), car ce dernier ne limitait pas la sensibilité de l'interféromètre[60]. Grâce à l'injection du vide comprimé, le bruit quantique a été réduit de 3,2 dB à haute fréquence, améliorant la portée du détecteur de 5 à 8 %[61]. Actuellement, des états comprimés plus sophistiqués sont produits[62] en combinant la technologie de O3 avec une nouvelle cavité de 285 m de long, appelée « cavité de filtrage ». Cette technologie permet de produire une compression dépendant de la fréquence, qui permet de réduire le bruit de grenaille à haute fréquence (où le bruit de pression de radiation est faible) tout en réduisant le bruit de pression de radiation à basse fréquence (où le bruit de grenaille est négligeable)[63],[64].

Infrastructure

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Vu depuis les airs, Virgo a une forme caractéristique en « L » avec ses deux bras perpendiculaires de 3 km de long. Les « tunnels » de ces deux bras abritent des tubes à vide dans lesquels les faisceaux lasers voyagent.

Virgo est la plus grande installation d'ultravide d'Europe, avec un volume total de 6 800 m3[65]. Les deux bras de 3 km contiennent des tubes en acier de 1,2 m de diamètre dans lesquels la pression visée est 1 million de milliards de fois plus faible que celle de l'atmosphère (un facteur 100 plus faible que le détecteur Virgo initial). Les molécules de gaz restantes (principalement de l'hydrogène et de l'eau) ont donc un impact assez limité sur le passage du faisceau laser[34]. De larges vannes sont situées au bout de chaque bras afin de pouvoir travailler sur les miroirs sans briser le vide des bras. En effet, les tours contenant les miroirs et les superatténuateurs sont également sous vide, et sont divisées en deux sections avec des pressions différentes[66]. Les tubes ont été soumis à un processus appelé baking, durant lequel ils sont chauffés à 150 °C afin de retirer des particules indésirables qui seraient restées coincées sur les surfaces ; bien que les tours aient également été soumises à ce processus pour le détecteur Virgo initial, des pièges cryogéniques sont maintenant utilisés pour éviter la contamination[34].

Photo d'un calibrateur newtonien. Contenu dans un cylindre métallique (ouvert sur la photo), il est composé d'un moteur permettant de faire tourner un rotor métallique composé de deux sections opposées d'un cylindre.
Un des calibrateurs newtoniens (Ncal) avant son installation dans le détecteur. Plusieurs d'entre eux sont installés près d'un des miroirs de bout de bras ; le mouvement du rotor génère une force gravitationnelle variable sur le miroir, lui permettant de bouger d'une manière controllée.

En raison de la puissance élevée circulant dans l'interféromètre, les miroirs sont susceptibles de subir des effets thermiques en étant chauffés par la lumière du laser (malgré leur très faible absorption). Ces effets peuvent prendre la forme d'une déformation de la surface du miroir en raison de la dilatation, ou en un changement de l'indice de réfraction du matériau ; cela résulte en de la lumière quittant le faisceau et en des perturbations du signal. Ces deux effets sont gérés par le système de compensation thermique (TCS), qui incluent des senseurs (appelés senseurs de front d'onde de Hartmann[67]), qui peuvent mesure l'aberration à l'aide d'une source de lumière auxiliaire, ainsi que deux actionneurs : des lasers au CO2, qui permettent de chauffer sélectivement certaines parties du miroir pour corriger les défauts, et des anneaux chauffants, qui permettent d'ajuster précisément le rayon de courbure du miroir. Le système corrige également les « défauts froids », qui sont des défauts permanents introduits lors de la fabrication des miroirs[68],[34]. Durant la période O3, le TCS a permis d'augmenter la puissance circulant dans l'interféromètre de 15 % et de réduire la quantité de lumière s'échappant de l'interféromètre d'un facteur 2[69].

Un autre composant important est le système dédié au contrôle de la lumière parasite, qui englobe toute lumière qui quitte le chemin prévu du faisceau laser, en étant diffusée par une surface ou à cause d'une réflexion non voulue. La recombinaison de cette lumière parasite avec le faisceau principal peut représenter une source de bruit importante, et généralement dure à tracer et modéliser. La plupart des efforts pour la contrôler consistent en l'installation de plaques absorbantes appelées « baffles », placées près des composants optiques et à l'intérieur des tubes ; cela nécessite des précautions additionnelles afin d'éviter que les baffles interfèrent avec le fonctionnement normal de l'interféromètre[70],[71],[65].

Afin d'estimer correctement la réponse du détecteur aux ondes gravitationnelles et donc correctement reconstruire le signal, une étape de calibration est nécessaire, qui implique de déplacer les miroirs de manière controllée et mesurer l'effet sur la sortie du détecteur. Durant l'époque du détecteur initial, cette calibration était réalisée en agitant l'un des pendules des suspensions en utilisant des bobines pour générer un champ magnétique interagissant avec des aimants fixés sur le pendule[72]. Cette technique a été utilisée jusqu'à la période O2. A partir d'O3, la calibration par photon (Pcal) est devenue la méthode principale ; elle avait auparavant été utilisée comme une méthode secondaire pour valider les résultats. Cette méthode s'appuie sur un laser auxiliaire qui permet de dépasser le miroir via la pression de radiation[73],[74]. De plus, une nouvelle méthode appelée calibration newtonienne (Ncal) a été introduite à la fin de O2 et est maintenant utilisée pour valider les résultats de Pcal ; elle s'appuie sur la gravité pour déplacer le miroir, en plaçant une masse en rotation à une distance précise du miroir[74],[75].

Enfin, l'instrument nécessite un système d'acquisition des données efficace. Ce système s'occupe de gérer les données obtenues en sortie de l'interféromètre et par les nombreux senseurs présents sur le site, de les stocker dans des fichiers et d'ensuite les distribuer aux équipes d'analyse de données. Afin d'accomplir ces tâches, des composants électroniques et des logiciels dédiés ont été développés spécifiquement pour Virgo[76].

Bruit et sensibilité

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Graphique représentant un glitch. Il est découpé en deux parties. La partie supérieure est une courbe représentant la sortie du détecteur en fonction du temps ; elle est particulièrement agitée au centre du graphique, avec de larges pics vers le haut et le bas contrastant avec un calme relatif sur les bords du graphique. La partie du bas représente la distribution de puissance en fonction de la fréquence, avec des couleurs plus claires indiquant un excès. Un tel excès est visible au centre du diagramme, aligné avec les pics de la partie supérieure ; il couvre essentielle les fréquences de 50 à 100 Hertz, avec une partie s'étendant au-delà ; à basse fréquence, il s'élargit un peu dans le temps.
Visualisation d'un glitch de type « carpe », observé dans des données d'un des détecteurs LIGO en 2015. La partie supérieure représente la sortie du détecteur en fonction du temps, tandis que la partie inférieure donne la répartition de la puissance selon la fréquence (axe y) en fonction du temps (axe x). Ce type de glitch est d'origine inconnue et couvre une large bande de fréquences, avec des « nageoires » caractéristiques visibles à basse fréquence.

Sources de bruit

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En raison de la précision nécessaire pour mesurer l'effet des ondes gravitationnelles, Virgo est sensible à de nombreuses sources de bruit qui limitent sa capacité à détecter un potentiel signal. Certaines de ces sources couvrent une large bande de fréquences et limitent la sensibilité globale du détecteur, telles que[77],[65] :

  • le bruit sismique (des vibrations du sol aux origines multiples : vagues en mer Méditerranée, vent, activités humaines comme la circulation routière, etc.), généralement dans les basses fréquences jusqu'à la dizaine de hertz (Hz) ;
  • le bruit thermique des miroirs et de leurs suspensions, qui correspond à leur agitation causée par leur température interne, de quelques dizaines de Hz à plusieurs centaines ;
  • le bruit quantique, incluant le bruit de grenaille, correspondant aux fluctuations de la puissance reçue par les photodiodes et limitant au-delà de plusieurs centaines de Hz, et le bruit de pression de radiation, correspondant aux variations de la pression appliquée par le laser sur les miroirs, qui devient importante à basse fréquence ;
  • le bruit newtonien, causé par les variations du champ gravitationnel qui affectent la position du miroir, qui est notable en dessous de 20 Hz.

En plus de ces grandes sources de bruit, certaines sources limitent la sensibilité à des fréquences spécifiques. Elles incluent une source à 50 Hz (et des harmoniques à 100, 150 et 200 Hz) correspondant à la fréquence du réseau électrique européen ; les « violin modes » à la fréquence de résonance des cables de suspension (qui peuvent vibrer à une fréquence spécifique comme les cordes d'un violon), qui est de 300 Hz ; et des sources ponctuelles correspondant aux fréquences utilisées pour la calibration du détecteur[78],[79].

Des sources supplémentaires de bruit peuvent temporairement affecter la sensibilité générale ; une mauvaise météo ou des tremblements de terre peuvent augmenter le niveau de bruit[65].

Enfin, des artefacts de courte durée peuvent apparaître dans les données à cause de nombreuses sources internes à l'instrument ; elles sont typiquement surnommées « glitches ». On estime qu'environ 20 % des évènements détectés sont touchés par des glitches, nécessitant alors l'utilisation de méthodes d'analyse de données spécifiques pour réduire leur impact[80].

Sensibilité du détecteur

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Une courbe de sensibilité du détecteur Virgo entre 10 Hz et 10 kHz, dans une échelle log-log, obtenue en [81]. Sa forme est caractéristique : le bruit thermique des suspensions des miroirs domine à basse fréquence tandis que la remontée à haute fréquence est due au bruit de grenaille du laser. Entre ces deux bandes de fréquence et superposées à ces bruits fondamentaux, on peut voir des résonances (par exemple les modes violons des fils de suspension) ainsi que les contributions des bruits instrumentaux (par exemple le 50 Hz du secteur et ses harmoniques).

Un instrument comme Virgo est caractérisé par sa sensibilité, une mesure du signal le plus ténu qu'il peut détecter. Comme la sensibilité varie avec la fréquence, elle est habituellement représentée sours la forme d'une courbe représentant la densité spectrale de bruit (qui décrit l'intensité du bruit en fonction de la fréquence) ; plus cette courbe est basse, meilleure est la sensibilité. Virgo est un détecteur « large bande », sa courbe de sensibilité couvrant une zone s'étendant de quelques Hz à 10 kHz.

La mesure numérique la plus commune de la sensibilité d'un détecteur d'ondes graviationnelles est sa « distance d'horizon », définie comme la distance à laquelle une binaire d'étoile à neutrons avec des masses de 1,4 -1,4 (où est la masse solaire) produirait un rapport signal sur bruit de 8 dans le détecteur. Elle est généralement exprimée en megaparsecs[82]. Par exemple, la portée de Virgo durant la période O3 était comprise entre 40 et 50 Mpc[6]. Cette portée n'est qu'un indicateur et ne représente pas une distance de détection maximale pour le détecteur ; des sources plus massives émettront un signal avec une amplitude plus élevée, permettant de le détecter à une plus grande distance.

Analyse de données

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Article détaillé : Détection interférométrique terrestre d'ondes gravitationnelles#Analyse de données.

Une part importante des ressources de la collaboration Virgo est consacrée au développement et au déploiements de logiciels d'analyse de données dédiés au traitement de la sortie du détecteur. En dehors des outils d'acquisition et de distribution des données, cet effort est largement partagé avec les membres des collaborations LIGO et KAGRA, au sein de la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA (LVK)[83].

Les données du détecteur sont initialement uniquement disponibles aux membres du LVK ; des segments de données entourant les évènements sont publiés en même temps que les articles correspondant, et les données complètes sont mises en libre accès à la fin d'une période d'exclusivité, qui dure actuellement 18 mois. Durant la troisième période d'observation (O3), la publication des données s'est faite en deux parties (O3a et O3b), correspondant aux premiers et derniers six mois de la période respectivement[84]. Les données sont ensuite accessibles à toute personne via le Gravitational Wave Open Science Center (GWOSC)[85],[86].

L'analyse de ces données requiert une variété de techniques différentes correspondant à différents types de source. Une grosse partie des efforts sont concentrés sur la détection et l'analyse des coalescences de binaires compactes, qui sont le seul type de source détecté jusqu'à présent. Plusieurs logiciels différents cherchent ce type d'évènement, et une infrastructure dédiée est utilisée pour envoyer des alertes à la communauté des astronomes en cas de détection. D'autres efforts prennent place après la fin d'une période de prise de données, incluant la recherche de sources continues ou d'un fond stochastique, ainsi qu'une analyse plus poussée des évènements détectés.

Résultats scientifiques

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Carte du ciel en projection Mollweide (avec une forme d'ellipse). On peut y voir la localisation utilisant exclusivement les détecteurs LIGO, donnant une large zone, et une bien plus petite zone en ajoutant les données de Virgo.
Localisation dans le ciel de GW170814, avec une comparaison entre seulement les détecteurs LIGO et le réseau entier. L'ajout de Virgo permet une localisation bien plus précise.
Article connexe : Liste d'ondes gravitationnelles.

La première détection d'un signal gravitationnel par Virgo a eu lieu durant la deuxième période d'observation (O2) de l'ère des détecteurs de deuxième génération, car seuls les détecteurs LIGO étaient opérationnels durant la première. L'évènement, baptisé GW170814, est une coalescence de deux trous noirs, et le premier évènement à être détecté simultanément par trois détecteurs différents, permettant d'améliorer grandement la localisation comparé aux évènements précédents. Il a également permis d'effectuer la première mesure des polarisations des ondes gravitationnelles, fournissant des preuves en défaveur de l'existence de polarisations au-delà de celles prédites par la relativité générale[36].

Il a rapidement été suivi du plus célèbre GW170817, première fusion de deux étoiles à neutrons observée en ondes gravitationnelles, et pour l'instant (juillet 2024) l'unique évènement a avoir également été confirmé par des observations électromagnétiques, à la fois en rayons gammas et avec des télescopes optiques, puis plus tard en rayons X et ondes radios. Bien que le signal n'ait pas été observé par Virgo, la présence de celui-ci était cruciale car elle cette non-observation a permis de mieux contraindre la localisation de l'évènement[5]. Celui-ci a eu de fortes répercussions dans la communauté astrophysique, impliquant plus de 4 000 astronomes[87], améliorant la compréhension des fusions d'étoiles à neutrons[88] et plaçant de fortes contraintes sur la vitesse de propagation de la gravité[89].

Plusieurs recherches d'ondes gravitationnelles continues ont été réalisées sur les périodes d'observation passées en utilisant les données de Virgo. Pour la période O3, cela comprend une recherche sur tout le ciel[90], des recherches ciblées vers Scorpius X-1[91] et plusieurs pulsars connus (incluant les pulsars du Crabe et des Voiles)[92],[93], et des recherches dirigées vers les rémanents de supernova Cassiopée A et Vela Junior[94] ainsi que le centre galactique[95]. Bien qu'aucune de ces recherches n'ait pu identifier de signal, elles ont permit d'établir des limites supérieures pour certains paramètres ; en particulier, la déviation d'une sphère parfaite de certains pulsars proches est d'au maximum 1 mm[90].

Virgo a également été inclus dans les dernières recherches d'un fond stochastique d'ondes gravitationnelles aux côtés de LIGO, combinant les résultas d'O3 avec les résultats d'O1 et O2 (qui utilisaient uniquement les données de LIGO). Aucun fond stochastique n'a été observé, améliorant ainsi les contraintes sur l'énergie d'un tel fond stochastique d'un ordre de grandeur[96].

Des contraintes sur la constante de Hubble ont également été obtenues ; la meilleure estimation actuelle est de 68+12
−8 km s−1 Mpc−1, combinant les résultats obtenus avec les binaires de trous noirs et avec l'évènement GW170817. Ce résultat est cohérent avec les autres estimations de la constante, sans être suffisamment précis pour résoudre la tension concernant sa valeur exacte[97].

Vulgarisation

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La collaboration Virgo organise et participe à un certain nombres d'activités promeuvant la communication et l'éducation sur les ondes gravitationnelles pour le grand public[98]. Une des activités les plus visibles est l'organisation de visites guidées de l'instrument pour les écoles, les universités et le grand public[99] ; cependant de nombreuses activités sont organisées en dehors du site. Cela inclut des activités éducationnelles comme des conférences et des cours publics sur les activités de Virgo, par exemple dans des écoles[98], mais aussi dans des festivals scientifiques[100],[101],[102], ce qui implique le développement de méthodes et d'outils pour la vulgarisation des ondes gravitationnelles et les sujets connexes. La collaboration est également impliquée dans divers projets artistiques, allant de projets visuels comme « Le Rythme de l'Espace » au Museo della Grafica à Pise[103] ou « On Air » au Palais de Tokyo[104] à des projets musicaux avec différents concerts[105]. Cela inclut également des activités de promotion de l'égalité des genres en science, en mettant par exemple en valeurs les femmes travaillant pour Virgo dans des communications pour le grand public[106].

Galerie

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  • Vue générale du site de Virgo.
    Vue générale du site de Virgo.
  • Vue aérienne du détecteur Virgo.
    Vue aérienne du détecteur Virgo.
  • Vue du début du bras nord de Virgo ; au premier plan à droite, le bâtiment central.
    Vue du début du bras nord de Virgo ; au premier plan à droite, le bâtiment central.
  • Vue du bras nord de 3 km de Virgo
    Vue du bras nord de 3 km de Virgo
  • Vue du site de Virgo
    Vue du site de Virgo avec au premier plan le bâtiment hébergeant la salle de contrôle et les services informatiques.
  • Vue du bâtiment central de Virgo
    Vue du bâtiment central de Virgo où se situe le laser et la séparatrice de faisceaux.
  • Vue du bras Ouest de Virgo
    Vue du bras Ouest de Virgo de 3 km de long (tube de droite). À gauche, le tube de la cavité de filtrage rectangulaire (mode cleaner) de 150 mètres de long.

Notes et références

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