Développement et exploitation d'un simulateur électro-optique pour le futur détecteur spatial à ondes gravitationnelles eLISA - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2015

Developpement and operation of an electro-optical simulator for the future space based gravitational wave detector eLISA

Développement et exploitation d'un simulateur électro-optique pour le futur détecteur spatial à ondes gravitationnelles eLISA

Abstract

Gravitational waves will offer a new window to the universe. Their detection by ground based detectors should arrive soon and the future space based interferometer eLISA will allow to do gravitational wave astronomy in order to get unique informations on their sources wether black holes, neutron stars, the Big Bang etc. The effect of a gravitational wave is an extremely weak variation of distance, it will require a very performant detector. That’s why eLISA should reach picometer precision with arm length of a million kilometer. Such a concept must be tested both numerically and experimentally in order to validate the planned noise reduction technics. The dominant noise will come from the laser itself. Although laser stabilization methods exists, the required level for the detection of gravitational waves is not achievable with the current level of technology. Consequently eLISA will use a post measurement process called time delay interferometry which allows to recombine numerically the measurement to form an equal arm interferometer in order to cancel laser noise like in a standard equal arm interferometer. This algorithm called TDI (Time Delay Interferometry) is one of the main point of study of this thesis. Indeed the LOT is an interferometer both optical and electronic which aims to simulate eLISA and especially to test TDI on a realistic configuration of eLISA. As it is impossible to delay the laser light of the time of a round trip on eLISA, about six seconds, the LOT injects the simulated noises with the appropriate delays to measure the interferences and apply TDI. However, this should be realized in consideration of the intrinsic noises of the LOT which must be understood and reduced as much as possible. Moreover the LOT will adress other problematics of eLISA such as the clock noise of each satellite. The work which was achieved has led to an installation of a part of the LOT and to the improvement of the interferometer’s noise level thus allowing to obtain the first results in a simplified but realistic configuration of eLISA while preparing it for additionnal features in order to get closer of the space detector’s configuration. Thereby the LOT fits in the efforts made by the eLISA community to fully simulate the future detector and to prepare an integration and test phase in which the LOT will be able to play a part as a test bench for some elements.
Les ondes gravitationnelles ouvrent une nouvelle fenêtre d’observation sur l’univers. Leur détection par les détecteurs terrestres devrait arriver prochainement et le futur interféromètre spatial eLISA permettra de réaliser une astronomie des ondes gravitationnelles pour exploiter les informations qu’elles portent sur leurs sources que ce soient trous noirs, étoiles à neutrons, le Big Bang etc. L’effet d’une onde gravitationnelle étant une variation de distance extrêmement faible, il faudra un détecteur très performant pour la détecter. C’est pour cela que eLISA devra atteindre une précision de l’ordre du picomètre avec des bras longs d’un million de kilomètres. Un tel concept doit être testé à la fois numériquement mais aussi expérimentalement afin de valider les techniques de réductions de bruits envisagées. Le bruit dominant sera issu du laser lui même. Bien que des méthodes de stabilisations laser existent, le niveau requis pour la détection d’ondes gravitationnelles n’est pas atteignable avec le niveau technologique actuel. Par conséquent eLISA utilisera un processus post mesure appelé interférométrie à temps retardé permettant de reformer numériquement un interféromètre à bras égaux en combinant les différentes mesures réalisées pour que les bruits laser s’annulent comme dans un interféromètre classique à bras égaux. Cet algorithme nommé TDI (Time Delay Interferometry) est l’un des principaux points d’étude de cette thèse. En effet le LOT est un interféromètre à la fois optique et électronique qui a pour but de simuler eLISA et notamment tester TDI sur une configuration réaliste d’eLISA. Comme il est impossible de retarder la lumière laser du temps que met le faisceau pour un aller-retour sur eLISA soit environ six secondes, le LOT injecte les bruits simulés avec les retards correspondant pour ensuite mesurer les interférences et appliquer TDI. Cependant ceci doit être réalisé en considérant les bruits intrinsèque du LOT qu’il s’agit de comprendre et de diminuer le plus possible. De plus le LOT permettra d’aborder d’autres problématiques de eLISA comme le bruit des horloges de chaque satellite. Les travaux réalisés ont conduit à l’installation d’une partie du LOT ainsi qu’à une amélioration du niveau de bruit de l’interféromètre permettant l’obtention des premiers résultats dans une configuration simplifiée mais réaliste de eLISA tout en préparant le terrain pour des ajouts de fonctionnalités supplémentaires afin de se rapprocher de plus en plus de la configuration du détecteur spatial. Ainsi le LOT s’inscrit dans l’effort de la communauté eLISA de simuler de manière complète le futur détecteur et de préparer une future phase d’intégration et de tests au sein de laquelle le LOT pourra jouer un rôle comme banc de test pour certains éléments.
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tel-01307782 , version 1 (26-04-2016)

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Cite

Pierre Gruning. Développement et exploitation d'un simulateur électro-optique pour le futur détecteur spatial à ondes gravitationnelles eLISA. Instrumentation et méthodes pour l'astrophysique [astro-ph.IM]. Université Paris Diderot - Paris 7, 2015. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01307782⟩
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