Published December 18, 2015 | Version v1
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Developpement and operation of an electro-optical simulator for the future space based gravitational wave detector eLISA

Description

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 whether 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 techniques. 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 address 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 additional 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. (author)

Abstract (French)

Les ondes gravitationnelles ouvrent une nouvelle fenetre d'observation sur l'univers. Leur detection par les detecteurs terrestres devrait arriver prochainement et le futur interferometre spatial eLISA permettra de realiser une astronomie des ondes gravitationnelles pour exploiter les informations qu'elles portent sur leurs sources que ce soient trous noirs, etoiles a neutrons, le Big Bang etc. L'effet d'une onde gravitationnelle etant une variation de distance extremement faible, il faudra un detecteur tres performant pour la detecter. C'est pour cela que eLISA devra atteindre une precision de l'ordre du picometre avec des bras longs d'un million de kilometres. Un tel concept doit etre teste a la fois numeriquement mais aussi experimentalement afin de valider les techniques de reductions de bruits envisagees. Le bruit dominant sera issu du laser lui meme. Bien que des methodes de stabilisations laser existent, le niveau requis pour la detection d'ondes gravitationnelles n'est pas atteignable avec le niveau technologique actuel. Par consequent eLISA utilisera un processus post mesure appele interferometrie a temps retarde permettant de reformer numeriquement un interferometre a bras egaux en combinant les differentes mesures realisees pour que les bruits laser s'annulent comme dans un interferometre classique a bras egaux. Cet algorithme nomme TDI (Time Delay Interferometry) est l'un des principaux points d'etude de cette these. En effet le LOT est un interferometre a la fois optique et electronique qui a pour but de simuler eLISA et notamment tester TDI sur une configuration realiste d'eLISA. Comme il est impossible de retarder la lumiere laser du temps que met le faisceau pour un aller-retour sur eLISA soit environ six secondes, le LOT injecte les bruits simules avec les retards correspondant pour ensuite mesurer les interferences et appliquer TDI. Cependant ceci doit etre realise en considerant les bruits intrinseque du LOT qu'il s'agit de comprendre et de diminuer le plus possible. De plus le LOT permettra d'aborder d'autres problematiques d'eLISA comme le bruit des horloges de chaque satellite. Les travaux realises ont conduit a l'installation d'une partie du LOT ainsi qu'a une amelioration du niveau de bruit de l'interferometre permettant l'obtention des premiers resultats dans une configuration simplifiee mais realiste de eLISA tout en preparant le terrain pour des ajouts de fonctionnalites supplementaires afin de se rapprocher de plus en plus de la configuration du detecteur spatial. Ainsi le LOT s'inscrit dans l'effort de la communaute eLISA de simuler de maniere complete le futur detecteur et de preparer une future phase d'integration et de tests au sein de laquelle le LOT pourra jouer un role comme banc de test pour certains elements. (auteur)

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Original title (French)
Developpement et exploitation d'un simulateur electro-optique pour le futur detecteur spatial a ondes gravitationnelles eLISA

Publishing Information

Imprint Pagination
220 p.
Report number
FRNC-TH--13514

Optional Information

Notes
132 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses