6.4 CosmoSono : GW181124
Présentation
Cosmosono GW181124 est une expérience menée par Raphaël Dallaporta, en collaboration avec les chercheurs EGO-Virgo et la complicité de Peter Wolf. Revenu de sa première visite de Virgo : avec la question une action humaine peut-elle interagir avec un instrument aussi sensible ? Les réponses sont venues de l’interaction avec les chercheurs EGO-Virgo : Irene Fiori, Valerio Boschi, Federico Pasletti, Antonino Chiummo.
Avant le Run O3, a été enregistré la performance musicale, écrite et joué par Kryštof Mařatka (flûte archaïque) accompagné de Karine Lethiec (alto du XVIIIème siècle), dans le hall d’expérimentation central de VIRGO (figure 6.7).
Les ondes musicales ont excité les miroirs de l’interféromètre actif tout le long de la performance, une vidéo présente cette expérience.
Figure 6.7 – Karine Lethiec jouant de l’alto sur la partition écrite par Kryštof Mařatka dans le hall d’expérimentation centrale de VIRGO.
Concept
Au moment de la performance, un faisceau mal aligné errait dans le banc interféro-métrique de VIRGO et était réflechi par l’un des panneaux vitrés. Le faisceau réflechi était alors ré-injecté dans le bras interférométrique de VIRGO. Un mouvement impor-tant du panneau sur lequel était réfléchi le faisceau parasite se retrouvait alors dans le déphasage mesuré par l’interféromètre. L’idée était donc de faire vibrer ce panneau à l’aide d’ondes sonores afin de les détecter dans les données de VIRGO. Depuis, la source du couplage accoustique a été identifié et la réflexion parasite à été supprimé avant le lancement du Run O3.
Artiste associé de l’Ensemble Calliopée, Raphaël Dallaporta s’était entouré de Kryš-tof Mařatka et Karine Lethiec pour réaliser la performance musicale. Les ondes sonores émises par les deux musiciens ont été enregistrées à l’aide d’un microphone et la dé-formation des bras de l’interféromètre VIRGO a été mesurée en parallèle. Au delà de la performance musicale, l’objectif était donc de trouver une corrélation entre les deux séries temporelles et de vérifier l’effet de l’intervention humaine sur le détecteur d’ondes gravitationnelles.
Représentation de l’onde "gravitationnelle"
Séries temporelles
Les deux séries temporelles sont représentées dans la figure 6.8. On remarque à l’oeil une corrélation entre la déformation mesurée par VIRGO et le signal sonore enregistré lorsque ce dernier a une amplitude importante (qui correspond aux fortissimos de l’alto).
Figure 6.8 – Amplitude normalisée A/hAi du son enregistré par le micro-phone (en bleu) et déformation mesurée par VIRGO (en vert). Pour chaque sé-rie temporelle, un filtre est utilisé pour
6.4. COSMOSONO : GW181124 191 Modèle 3D
Même si cette représentation graphique est bien connue des physiciens et autres scien-tifiques, elle reste difficilement interprétable pour les profanes et n’ont que peu d’intérêt esthétique. C’est pourquoi, Raphaël et Peter ont choisi de représenter ces données sous la forme d’une sculpture, s’affranchissant de l’univers froid du graphique 2D. Sur le modèle 3D représenté dans la figure 6.9,
— le temps s’écoule de bas en haut,
— le diamètre de la sculpture (et des disques qui la composent) est proportionnel à la déformation mesurée par VIRGO,
— la déviation par rapport à l’axe de révolution de la sculpture est proportionnel à l’amplitude du son mesuré par le microphone,
— afin d’obtenir un rendu plus artistique, une spirale est ajoutée.
Afin de vérifier la faisabilité d’une telle structure, j’ai fourni l’expertise relative à l’impression par dépot de fil fondu. Pour obtenir un objet, un script Python a permis de faire l’interface entre les données et le logiciel de modélisation 3D OpenScad. Une fois la sculpture modélisée (figure 6.9), j’ai pu créer la pièce à l’aide de mon imprimante 3D personnelle. La méthode d’impression repose sur l’ajout de filament plastique par couche successive. En raison des fortes variations de diamètre de la pièce, il a été nécessaire d’utiliser des supports/échaffaudages qui permettent d’assurer la bonne réalisation de l’impression. Le retrait de ces supports reste laborieux (figure 6.10a) mais permettent d’obtenir un objet (figure 6.10c) semblable à la modélisation 3D (figure 6.9).
(a) Retrait des supports (b) Etape intermédiaire (c) Pièce finale Figure 6.10 –Différentes étapes du processus de création de la sculpture.
Le choix de représentation a convaincu les différents protagonistes impliqués dans le projet et l’impression 3D semble être une approche différente permettant de visualiser de la musique. La pièce 3D est également un bon prototype qui servira de base pour créer une version à taille humaine de la sculpture de l’onde GW181124.
Cette thèse présente deux projets de recherche qui se placent dans le contexte des deux grandes théories de la physique moderne : la relativité générale et le modèle standard.
— Le premier projet a pour objectif de mesurer le décalage vers le rouge gravitationnel entre l’horloge PHARAO de l’ensemble ACES-PHARAO (qui sera arrimé à l’ISS) et les meilleures horloges des différents laboratoires de métrologie. En tant que centre de traitement et d’analyse des données, le laboratoire SYRTE prépare activement le futur lancement de la mission en développant différents logiciels dédiés. Ce manuscrit présente le dernier étage de traitement qui a permis de valider les attentes de la mission et qui permettra d’extraire le paramètre de violation de la théorie d’Albert Einstein.
— Le second projet est une expérience de recherche de matière noire située à l’Observatoire de Paris. Selon la théorie des champs scalaires ultra-léger, la matière noire entourant la Terre serait à l’origine d’une variation des constantes fondamentales. Celle-ci entraine une oscillation temporelle de la longueur de la cavité ultrastable et de la fibre optique composant l’interféromètre de Mach-Zehnder de l’expérience. La mise en place, le développement et l’optimisation du dispostif optique ont permis d’atteindre un niveau de sensibilité suffisament faible pour placer des contraintes compétitives sur les modèles de matière noire mais n’a malheureusement pas révélé de trace de cette matière inconnue dans la zône de sensibilité de l’expérience.
MOTS CLÉS
Relativité générale, mission spatiale, ACES-PHARAO, décalage vers le rouge gravitationnel, horloge ato-mique, modèle standard, matière noire, oscillation des constantes fondamentales, interférométrie optique, physique fondamentale
ABSTRACT
This thesis presents two research projects that are placed in the context of the two main theories of modern physics: general relativity and the standard model.
— The first project aims at measuring the gravitational redshift between the PHARAO clock of the ACES-PHARAO payload (which will be docked on the ISS) and the best clocks of the different metrology laboratories. As a data processing and analysis center, the SYRTE laboratory is actively preparing the future launch of the mission by developing various dedicated software. This manuscript presents the last stage of processing which allowed to validate the expectations of the mission and which will allow to extract the violation parameter of Albert Einstein’s theory.
— The second project is a dark matter research experiment located at Paris Observatory. According to the ultra-light scalar field theory, the dark matter surrounding the Earth would be at the origin of a variation of the fundamental constants of Nature. This causes a temporal oscillation of the length of the ultrastable cavity and of the optical fiber composing the Mach-Zehnder interferometer of the experiment. The development and optimization of the optical device allowed to reach a level of sensitivity low enough to place competitive constraints on the dark matter models but unfortunately did not reveal any trace of this unknown matter in the sensitivity zone of the experiment.
KEYWORDS
General relativity, space mission, ACES-PHARAO, gravitational redshift, atomic clock, standard model, dark matter, oscillation of fundamental constants, optical interferometry, fundamental physics