Première observation d’Ondes

Gravitationnelles

David A. Smith

Centre d’Études Nucléaires de Bordeaux-Gradignan

(IN2P3 / CNRS)

smith@cenbg.in2p3.fr Talence, le 7 avril 2016

Les ondes gravitationnelles:

1. Comment en faire

2. Comment les voir,

et ce qu’on vient de voir!

3. Conséquences et perspectives

C’est gravitationnelle, docteur? dernière page, 17 fév 2016.

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COMMENT FAIRE DE LA LUMIERE? (ondes électromagnétiques)

accélérer (secouer, agiter) des charges électriques (généralement, des électrons).

Flamme – un plasma de gaz chaud.

Ampoule – un fort courant chauffe un filament à blanc.

LEDs = DELs

pas chaudes.

Tubes fluos non plus.

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COMMENT FAIRE DES ONDES GRAVITATIONNELLES?

secouer de la masse

L’électricité est forte: une bougie fait b’coup de lumière.

La gravitation est faible: on est léger sur la Lune.

Un mouvement sphérique ne fait pas d’ondes*: il faut de la dissymétrie.

Supernova sphérique? Pas bon.

Supernova avec jets? Un peu.

Les grosses choses bougent plus lentement fréquences d’ondes plus basses.

* Ni électromagnétiques ni gravitationnelles

La masse

Tellement familière qu’on croît savoir ce que c’est.

1. Les objets résistent aux changements de mouvement. Cela s’appelle l’inertie.

ça résiste plus pour le plomb que pour les plumes.

Le changement de mouvement, a, est proportionnel à la force F appliquée. On appelle la

constante de proportionnalité « la masse inertielle », mI, et on écrit F = mI a.

2. Les objets s’attirent. Cela s’appelle la gravitation. L’attraction est moins quand la distance d

entre les deux est plus grande.

L’attraction de l’un par l’autre est proportionnelle à une quantité qu’on appelle « la masse

gravitationnelle », mG

Postulat (constat) d’Einstein, pour formuler la relativité générale:

les deux sont les mêmes!

mG = mI (« principe d’équivalence »)

Approximative

Equations

Champ

planes ondes

« Strain » = étirement, tension. Déplacement relatif.

Ligo en septembre: 10-21 x 4 km = 4x10-18 m

= 0.004 fm

Proton: 0.8 fm.

Théories de gravitation

Isaac Newton Albert Einstein

(1684) (1916)

Deux objets s’orbiteront à jamais. Le système binaire rayonne, l’orbite rétrécit.

Lentement.

On détermine m1m2/(m1+m2) On a trouvé m1, m2, et la masse finale.

mais pas m1, m2 séparément.

“Virgo”, à Pise

Comment les voir?

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Diffraction d’ondes (de vagues) de mer

Interférence d’ondes.

Les ondes lumineuses se

somment et s’annulent.

Voir un déplacement d’un proton/200 !!??? du laser = 1.064 µm (266 milliards fois plus grand que le signal).

Michelson-Morley (comme avant Einstein)

Fabry-Perrot: la lumière fait des centaines d’aller-retours dans les bras, ce qui multiplie le signal.

L’analogie avec l’interférence à deux fentes est trop simpliste.

Pensez plutôt « résonance très étroite dans le Fabry-Perrot très finement réglé ».

Réglé en interférence destructive les 2 x 100 kW s’annulent.

L’onde G dérègle le système, et les photodétecteurs reçoivent de la lumière.

Une résonance avec un grand facteur “Q”

Gros changement de puissance pour une miniscule déplacement en fréquence.

R: résistance, frottements, pertes…

Isoler les miroirs des vibrations ambiantes

Faisceaux lasers ‘sous vide’

Réglé en interférence destructive

les 2 x 100 kW s’annulent.

L’onde G dérègle le système, et les

photodétecteurs reçoivent un peu de lumière.

Systèmes actifs et passifs pour contrer les vibrations ambiantes

Depuis >25 ans, un travail

méticuleux et astucieux pour

atteindre la stabilité et sensibilité

requises.

Cavités Fabry-Perrot:

• Multiplier la puissance lumineuse

• Multiplier la longueur effective des bras

• Résonance à très grand Q.

Animation de l’intérféromètre

Qu’a-t-on vu?

“Luminosity distance”: la forme du signal donne les masses.

La relativé générale d’Einstein donne l’intensité à la source.

Intensité observée distance.

E = 3M

c² en ondes gravs! Plus lumineux que le reste de l’Univers pendant ~100 ms.

Une animation

Voyons voir si l’animation fonctionne!

Apod =Astrophysical Picture of the Day

http://apod.nasa.gov/apod/

http://apod.nasa.gov/apod/ap160211.html

http://apod.nasa.gov/apod/ap160212.html

Cet article, ainsi qu’un tas d’autres, sur

https://losc.ligo.org/events/GW150914/

410 Mpc ~ ½ Gpc, 4/3 pR3 ~ ½ Gpc-3

wikipedia: “40 par an, dès 2017.”

( 410 mega parsecs = 1300 millions d’années-lumière ~1025 m)

Où est-ce? 6.9 ms entre les deux détections. (Louisiane, puis Washington)

sin-1(6.9/10) = 44° du zénith.

D’autres contraintes pour

azimuth, et ‘down’ vs ‘up’.

L1 10 ms H1

Où est-ce?

• Gamma Burst Monitor : 8 keV à 30

MeV, plus que la moitié du ciel à un

moment donné.

• Large Area Telescope: 30 MeV à 300

GeV, le ciel entier toutes les 3 heures.

GBM

Gamma-ray burst monitor

Fermi LAT et GBM

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Rappel: les sursauts gamma ( = GRB = gamma-ray bursts)

• En 1967, la US Air Force a découvert des ‘flashs’ quotidiens de gammas célestes.

• Longtemps mystérieux.

• Des cataclysmes dans des galaxies très lointaines.

E = mc², avec m > M

• Brièvement plus lumineux que la galaxie hôte.

• VIRGO/LIGO cherchait la fusion d’étoiles à

neutrons binaires quand ils ont vu celle de deux

trous noirs.

• Fusion de trous noirs – gammas inattendus. (matière des alentours déjà nettoyée…)

Photons gamma Fermi LAT pendant les 10.000s

après le signal de LIGO. On n’a rien vu. Ce qui serait normal.

1 ½ heures avant d’être dans notre

champ de vu.

Le détecteur de sursauts gamma sur

le satellite Fermi.

Ça peut être un signal faible.

Ça peut être du bruit.

Si d’ici qqs années on aura plein

d’observations, on saura mieux dire.

À part peut être GBM, aucune détection de contrepartie. Mais: démonstration que le système de réaction rapide fonctionne.

(Existe depuis des années pour les GRB = sursauts gamma.)

32 Nicola Omodei – Stanford/KIPAC Fermi LAT Collaboration Meeting - SLAC

Conclusions :

• Un signal propre qui correspond parfaitement aux prédictions de la

Relativité Générale d’Einstein, pour la fusion de deux trous noirs de ~30

masses solaires chacun, à ~1300 mega années-lumière de la Terre.

• Démonstration que les appareils fonctionnent, et que les signaux existent.

Perspective d’une riche récolte dans les prochaines années,

Une nouvelle astronomie!

Chercher des déviations de la G.R. en conditions extrêmes

Suite de la conférence :

• Quelques remarques. Réponses à quelques questions.

Pourquoi Virgo s’appel Virgo?

Parce que l’objectif initial était une sensibilité

permettant de sonder jusqu’aux sources dans les

galaxies dans l’amas qui contient notre Voie Lactée.

Quid de la sensibilité?

• Les équipes continuent à filtrer et à atténuer les vibrations ‘strains’ toujours plus

petits. Nouvelles observations dès cet automne.

• Lumière: 1/r², pour une distance r de la source.

• Ondes gravitationnelles: 1/r !!

• Donc: sensibilité 2x meilleure 23 = 8x plus de volume d’espace davantage de

cataclysmes détectables. Plusieurs détections par mois, de phénomènes variés.

Quid des fréquences plus basses? (Les autres générateurs d’ondes gravitationnelles?)

• eLisa: principe de LIGO/VIRGO, mais dans l’espace.

• PTA = Pulsar Timing Arrays (réseaux de chronométrie de pulsars)

L’Inde , le Japon, et la Chine sont en train de faire des détecteurs comme VIRGO/LIGO. 5 antennes avant 2022.

Lancement le 3 décembre 2015. Arrivé à L1 le 22 janvier. 1,5 million km de la Terre vers le Soleil.

eLisa sera lancé en 2034?

Ou plus tôt!

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Rappel: Un pulsar est une étoile à neutrons en rotation.

• Fortement magnétisée, ses faisceaux radio, X, gamma peuvent balayer la Terre.

• Les étoiles à neutrons sont crées lors de l’effondrement gravitationnel du cœur d’une

étoile massive ayant épuise son combustible thermonucléaire (supernova!).

• Etoile à neutrons:

la matière la plus dense (gravitation la plus forte) hormis les trous noirs. Un noyau atomique de la taille de Bordeaux métropole.

Pulsars en rayon gamma: le sujet d’étude du conférencier…

Nature 463, 147, 14 January 2010

Mais… n’avait-on pas déjà vérifié la Relativité Générale d’Einstein?

Oui, certes. Mais:

i. jamais pour des champs gravitationnels aussi forts, justement là ou une faille

éventuelle se manifesterait ;

ii. On n’avait jamais vu directement * les ondes ;

iii. Leur détection donne un nouveau « télescope » astronomique.

Exemple : première observations de trous noirs dans cette gamme de masse.

*Prix Nobel de Hulse et Taylor (1993) – l’orbite de deux pulsars rétréci par le rayonnement gravitationnel.

Pulsar dans un système binaire (vue d’artiste).

Les mesures orbitales confirment les prédictions de la relativité générale avec grande précision.

Suivre certains pulsars sur des années donne des tests à haute précision de GR. Planches N. Wex pour les définitions des paramètres post-Newtoniens.

Quid des contreparties?

• Les étoiles binaires: TOUT UN PROGRAMME!

• Création des pulsars milliseconde

• Cause probable des sursauts gamma rapides

(fusion de deux étoiles à neutrons)

• Qui contribuent sans doute à la création des éléments lourds dans l’Univers! (et donc, de vous et moi.)

• Cause probable de certains FRB = Fast Radio Bursts (deux percées dans Nature dans les

semaines après l’annonce des ondes gravitationnelles).

Différents domaines arrivent à maturité en même temps

On s’attend à détecter certains GRB+FRB+ondes gravitationnelles avec une diversité

d’instruments tous en même temps, ce qui apportera des infos inédites sur une large

gamme de sujets.

Nota bene – il n’y a pas que les binaires qui émettent des ondes G détectables.

Pour aller plus loin: La référence [116] du PRL est très riche.

https://losc.ligo.org/events/GW150914/

Telechargez le signal traduit en son!

Merci pour votre attention!

Merci aussi à Jack Donohue (CENBG) et Nicolas Leroy (Virgo/In2p3) pour leur aide.