Nouvelle calibration des détecteurs d’ondes gravitationnelles pour une cosmologie de précision – ACALCO

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles mesurent les déformations spatio-temporelles induites par ces ondes en comparant la longueur des deux bras de grands interféromètres. Les méthodes d'étalonnage classiques consistent à déplacer l'un des miroirs d'une distance connue et à étalonner en conséquence le signal de sortie du détecteur.

La méthode de référence lors de la proposition, appelée PCal (pour Photon Calibrator), utilise la pression de radiation d'un laser auxiliaire dont la puissance est modulée pour introduire le déplacement attendu [PCal-O3]. Cette solution est polyvalente, mais elle se heurte à d'importantes difficultés pour la mesure de la puissance absolue à une fraction de pour cent près.

Une nouvelle méthode, basée sur la génération d'un champ gravitationnel newtonien variable par des masses en rotation (Newtonian Calibrator ou NCal), a été explorée [NCal-O2, NCal-O3]. Son principal avantage est de remplacer la mesure de puissance par des mesures métrologiques, qui devraient atteindre une précision inférieure au pour cent. Cependant, la fréquence maximale du signal est limitée par des contraintes mécaniques, notamment la vitesse de rotation maximale du rotor.

L'étalonnage du détecteur Virgo est assuré par les deux laboratoires participant au projet ACALCO. L'équipe LAPP est spécialisée dans les étalonnages par composantes principales (PCals), tandis que l'équipe IPHC se concentre sur les étalonnages par composantes non principales (NCals). L'incertitude systématique atteinte au début du projet était de 1,4 % pour les deux méthodes, avec un signal injecté jusqu'à 120 Hz pour les NCals et plusieurs kHz pour les PCals. L'objectif principal de la subvention ACALCO était de soutenir l'amélioration de ces incertitudes pour l'acquisition de données Virgo O4 (2024-2025).

Pour le système PCal, l'effort principal a consisté à améliorer la mesure de puissance du faisceau laser. Plus précisément, cet effort a porté sur l'interétalonnage avec LIGO, ce qui nécessite des mesures dédiées sur l'un des sites LIGO, l'échange de wattmètres de référence avec LIGO et des instituts de métrologie, le développement d'un banc optique pour l'interétalonnage des sphères d'intégration de puissance, et des mesures répétées pour évaluer la stabilité dans le temps. Conjuguées à d'autres améliorations, ces mesures ont permis de réduire l'incertitude systématique à 0,5 % pour les fréquences allant jusqu'à 1 kHz, l'incertitude augmentant aux fréquences supérieures.

Le système d'étalonnage numérique Virgo (NCal) conçu pour O4 était entièrement nouveau. Six rotors ont été installés autour de l'un des miroirs d'extrémité en 2023. Après une longue période de mise en service, ayant nécessité des ajustements tels que le changement de matériau des rotors, l'incertitude atteinte au début de la campagne O4 était de 0,17 %. La fiabilité du système permet un fonctionnement continu grâce à l'injection de lignes de calibration permanentes dans l'interféromètre Virgo. L'amélioration de la bande de fréquence a également été démontrée avec des signaux de test injectés jusqu'à 140 Hz. Dans le cadre du projet ACALCO, les développements du NCal visent à fournir un signal précis et fiable, utilisable 24 h/24 et 7 j/7 pendant une campagne d'acquisition de données pluriannuelle, comme celle d'O4. Par conséquent, une fréquence de fonctionnement modérée a été privilégiée (un signal à 36 Hz dans h(t)). Ce choix s'est avéré judicieux, puisque plusieurs calorimètres à neutrons (NCal) ont fonctionné sans défaillance mécanique pendant toute la durée de la mission Virgo O4. La présence de plusieurs NCal, situés de part et d'autre du miroir, a joué un rôle important dans la réduction de l'incertitude du système liée à la distance entre le miroir et le NCal. Un autre progrès majeur a été la réduction du couplage parasite, notamment du couplage magnétique, ce qui a nécessité un changement de matériau (de l'aluminium au PVC, puis au PEEK) pour les rotors des NCal. La présence d'un doctorant dédié à la réalisation de toutes les investigations nécessaires a été essentielle au succès du projet.

La faible incertitude du système NCal en a fait le système de référence pour l'étalonnage absolu de Virgo lors de la campagne d'observation O4. Le système PCal a donc été recalibré sur le système NCal juste avant le début de O4, fournissant ainsi un signal de référence précis sur une large bande de fréquences, grâce à sa flexibilité. Ceci a démontré les avantages de l'utilisation de ces deux techniques complémentaires.

Grâce à la subvention ACALCO, la précision des signaux d'étalonnage utilisés par Virgo pendant la campagne O4 a été améliorée de près d'un ordre de grandeur. Les données de Virgo ont servi à l'émission d'alertes publiques concernant des événements astrophysiques d'ondes gravitationnelles et seront diffusées après une période de 18 mois.

Bien que le projet ACALCO se soit concentré sur l'amélioration de la précision aux basses fréquences, l'élargissement de la gamme de fréquences (qui représente un défi en termes de fiabilité pour le système NCal) demeure un axe de recherche important.

La première mesure de la constante de Hubble (H0) à l'aide d'ondes gravitationnelles a été réalisée en 2017. Les prochaines prises de données des versions améliorées des détecteurs LIGO et Virgo devraient apporter un résultat d’intérêt astrophysique pour H0, sous réserve de progrès significatifs de l'étalonnage des détecteurs. L'objectif du projet ACALCO est de faire cette R&D pour atteindre une incertitude absolue du détecteur Virgo inférieure au pour-cent. Le plan est de poursuivre une approche combinée. D’un côté, développer un nouveau système d'étalonnage basé sur la génération d'un champ gravitationnel newtonien variable produit par des masses en rotation. Cette technique a été récemment explorée et peut devenir la nouvelle référence. De l’autre, améliorer la technique actuelle qui utilise la pression de radiation d'un laser auxiliaire dont la puissance est modulée, pour l'utiliser comme validation précise et pour sonder toute la bande de fréquences du détecteur Virgo.