On a détecté les ondes gravitationnelles!

Prédites par Albert Einstein il y a 100 ans,

G. BogaertCNRS, ARTEMIS, Observatoire de la Côte d’Azur

Congrès de l’UDPPC, Dijon, 26 octobre 2016

Simulation

https://youtu.be/Zt8Z_uzG71o

Plan

•La gravitation/relativité générale

•Qu’est ce qu’une onde gravitationnelle ?

•Comment les détecter ?

•Premières observations

•La suite

1609

Newton : Il existe une force due à la Loi de la gravitation universelle

Universelle : la même force fait tomber la pomme et tourner les planètes

Isaac Newton, 1687

F = G m1m2 / r2

force centripète

Trajectoire de la Terre

La force s’applique aux masses

(ça marche mais on ne sait pas pourquoi il y a une force)

Explique les mouvements dans le système solaireSauf un petit effet : avance du Périhélie de Mercure

• Succès : tout le système solaire (sauf : )

• Echec : Avance du Périhélie de Mercure

Succès et échecs de la loi de gravitation

574 ‘’ d’arc par siècle, expliqué par attraction des autres planètes (Le Verrier)

sauf pour 43’’ par siècle : un tour de plus tous les 225 800 ans, inexplicable

Un autre effet de la gravité : les forces de marée

Point de vue habituel

Point de vue de la Terre

Compression

Extension

La force d’attraction universelle n’existe pas !

1915 - théorie de la relativité générale (Inclut la gravitation)Explique les 43’’ par siècle de décalage du périhélie de Mercure

Ca marche, mais on ne sait pas pourquoi la masse courbe l’espace temps

Albert Einstein

L’espace-temps est courbe à proximité des masses et la Terre suit la courbure

Mesure de la déviation de la lumière d’une étoile rasant le soleil, 1919

Eclipse totale de Soleil, le 29 Mai 1919

Théorie : 0,87 ’’ (Newton)1,73 ‘’ (Einstein)

Mesure : 1,61’’+- 0.3 (Eddington)

Eddington

New York Times, Nov. 1919

Pourquoi la pomme tombe ?

explication N’explique pas

Grecs La place de la pomme est en bas.

Newton La Terre attire la pomme.Il existe une force entre les deux, fonction de leur masse et de leur distance.

Pourquoi ?

Einstein Il n’ y a pas de force d’attraction à distance ! La pomme subit la courbure de l’espace temps où elle se trouve. Cette courbure produit une accélération. La courbure est due à la Terre.

Pourquoi ?

Quelques conséquences de la théorie de la Relativité générale :

• Le rythme de l’écoulement du temps dépend de l’altitude (rougissement gravitationnel 1976)

1600 m au dessus de la mer : 15 milliardièmes de secondes /jour

• Existence des trous noirs (Cygnus X1, 1971)

• Existence d’ondes gravitationnelles

• …

Horizon

Singularité

Un trou noir au centre de la galaxie ! (2002)

Lentille gravitationnelle

Trajectoire S2 -> 4.1 million de masses solairesTrajectoire S17 -> Rayon astre noir < 45 UA

(l’horizon d’un trou noir serait 0.08 UA soit 12 106 km)premier trou noir : Cygnus X1, 1971

-Les ondes gravitationnelles existentHulse et Taylor (1974) Pulsar binaire : pulsar + étoile à neutron

ou naine blanche

accord meilleur que 0.1% Entre théorie et observation

PSR B1913+16

accélération de la rotation : 0,000 0765 s/an Fusion prévue dans 300 000 000 ans

prix Nobel 1993

-> perte d’énergie par ondes gravitationnelles

Plan

•La gravitation/relativité générale

•Trous noirs et autres conséquences

•Qu’est ce qu’une onde gravitationnelle ?

•Comment les détecter

•Premières observations

•La suite

Onde Gravitationnelle = Modification d’un effet de marée, qui se propage

Compression

In Kip Thorne, Interstellar

Collision de 2 trous noirs

https://www.youtube.com/watch?v=157rfAqypcc

Effet de compression/étirement

DL

L

Compression h ~ DL / L

Combien ?… (grosse déception !)

Objet en rotation Compression et dilatation des distances

Balle de tennis tournant au bout d’unecorde d’1 m, à une distance de 10 m :

h ~ 1. 10-54

Pulsar de Hulse & Taylor : h ~ 1. 10-26

Io autour de Jupiter : h ~ 2. 10-25

NS Binaire@Centre galactique : h ~ 2. 10-19

GW150914 h ~ 1. 10 -21

L = 12 800 km DL ~ 10-14 m

Effet de GW15014h ~ 10 -21

Plan

•La gravitation/relativité générale

•Trous noirs et autres conséquences

•Qu’est ce qu’une onde gravitationnelle ?

•Comment les détecter

•Premières observations

•La suite

LIGO

GW150914 – contraction étirement sur 4 km +- 0,002 fm

Ray Weiss

Laser

Miroir

Miroirséparatrice

Détecteur de lumière

Comment ça marche ?

GiazottoBrillet

Comment ca marche ?

https://youtu.be/tQ_teIUb3tE

Laser

Miroir

Miroirséparatrice

Détecteur de lumière

Système très sensible à la position des miroirs

Limité par bruit de grenaille

• dx/l =1/4p (2hn/P)1/2

20 W -> dx =10-17 m/Hz1/2

• Pour Virgo, L = 3 km

• dh = dx/L = 4 10-21 1/Hz1/2 (20W/P) ½ 3km/L

-> Il faut encore gagner 2 ordres de grandeur• Augmenter la puissance : P= 200 kW ?• Augmenter la longueur des bras : L = 300 km ?

Miroir

Miroir

F. Kéfélian, 2016

Virgo : Interféromètre à recirculation

• Cavités dans les bras

Finesse 50

Longueur effective 2/p*Finesse

• Recyclage de puissance

Gain 50

dh = dx/L= 4 10-23 1/Hz1/2

Miroir

Miroir

MiroirMiroir

Miroir

Laser

CERN

Expected sensitivity gain for AdV : one order of magnitude

3 orders of magnitude in the scanned universe volume

2007

2009

Observations 2006-2011 :

Advanced Virgo

200W continu

500 000 W

Recyclage de signal et filtrage

grands miroirs (34 cm) 40 kg

Compensation thermique pour miroirs d’entrée

• 135 Mpc pour couples de NS-NS et 1 Gpc pour 30M couples de trous noirs

Advanced Virgo : gain d’un facteur 10 en sensibilité

~ 100 000 Galaxies

Neutron Star-Neutron Star une détection /mois ?

+ Barcelone (Espagne)

LIGO Scientific collaboration

• Longueur des bras 3 km. Advance Virgo vide amélioréd’un facteur 100

• Plus grand système ultra vide en Europe

• Tuyau :

• 1.2 m diamètre x 6 km

Miroirs :

miroirs: 35cm diameter,

20 cm thick, 42 kg, séparatrice 55cm améliorés pour Adv Virgo

Silice ultrapure de Heraeus,

absorption 0.2 ppm/cm amélioré pour Adv Virgo

Polissage controlé à 0.5 nm amélioré pour Adv Virgo

Dépot des couches minces

au LMA (Lyon). amélioré pour Adv Virgo

Passive Isolation performance• Expected seismic

displacement of the mirror (red curve) compared with natural seismic noise

• Thermal noise is dominant above 3 Hz

• Active damping of the resonances at the top stage level• amélioré pour Adv Virgo

Laser puissant et ultra stableBruit de fréquence du laser•𝛿𝜈 < 4×10−6𝐻𝑧/ 𝐻𝑧 ½ à 50Hz

•Or la source laser(Nd:YAG)𝛿𝜈≈200𝐻𝑧/𝐻𝑧 à 50Hz

•bruit de fréquence du laser doit être réduit de 8 ordres de grandeur pour que la mesure soit limitée par le bruit de photons.

pour Adv Virgo : 125 Watt

• Plus de 100 boucles

d’asservissement

• 15 000 canaux de données

de surveillance et contrôle• 2500 rapides <800 KHz

• 13000 lents < 1 Hz

• Front-end camera

~ 400 Mbytes/s

(raw images)

• Jitter < 10 ms sur les données

Bruit Quantiquede pression de radiation

Bruit thermique des miroirs

Bru

it g

ravi

tati

on

nel

terr

estr

e

Bruit de grenaille blanc + effet d’atténuation du signal HF par

la cavité

Plan

•La gravitation/relativité générale

•Trous noirs et autres conséquences

•Qu’est ce qu’une onde gravitationnelle ?

•Comment les détecter

•Premières observations

•La suite

Data Analysis (LIGO & Virgo as a network)

14 Septembre 2015 à 05:51 EDT:

GW150914FAR=1 per 200,000 yrsFAP=2.e-7

https://www.youtube.com/watch?v=c-2XIuNFgD0

GW150914 : le gazouillis de 2 trous noirs fusionnant

https://www.youtube.com/watch?v=TWqhUANNFXw

M1 = 36M, M2 = 29M

GW150914

Le signal mesuré……moins

la prédictiond’Einstein…

…reste le bruit

GW150914

Relativité en champ fort

Contraintes sur la dimension des trous noirs

E = Mc2 , M=

65-62 =3 masses solaires ont disparu.La matière équivalente à 3 Soleil a été convertie en ondulations

de l’espace temps (ondes gravitationnelles)

50 fois la lumière de toutes les étoiles

ou

Un milliard de milliards de milliards de fois la consommation

énergétique des humains…

en quelques dizièmes de secondes

GW150914

La 1ère coalescence

de trous noirs

Premiers trous noirs

de 30 masses solaires

Vitesse finale = 0.6 c

l’événement

le plus puissant jamais observé

Conforme à la Relativité Générale

Localisation de la source

Mesure basée sur les temps

d’arrivées -> cercle dans le ciel.

+ anisotropie des détecteurs

Distance :

entre 0,750 et 1,900 109AL

dans 600° carrés

SNR 23.7 SNR 9.7 SNR 13.0

GW150914

GW150914

GW150914

GW151226

GW151226

GW151226

LVT151012

LVT151012

13

LVT151012

23

Trous noirs inattendus

et plus lourds

• Comment se sont ils formés ?• Distribution en taille• Effets de spin ?• Production de lumière • Théories alternatives ??

36

29

60

14

7.5

© David Shoemaker

• ~ 60 partenaires dans 19 pays• ~ 150 instruments

couvrant de la radio aux rayons gamma

• Pas de détection• Besoin d’un 3ème

détecteurSlide David Schoemaker, MIT

Localisation : besoin de plus de détecteurs

Dans le futur : < 5° carrés avec Adv LIGO et Adv Virgo

Image credit: LIGO/Axel Mellinger

90 % de confiance

Estimation actuelle Simulation avec Virgo

LIGO India

(financé)

LIGO Hanford

Kagraen construction

Virgo

LIGO Livingston

GEO600

Les détecteurs d’ondes gravitationnelles

Plan

•La gravitation/relativité générale

•Trous noirs et autres conséquences

•Qu’est ce qu’une onde gravitationnelle ?

•Comment les détecter

•Premières observations

•La suite

60

Ground-based

Possible future sources for signals

sey Reed, Penn State

Supernovae

NASA/WMAP Science Team

Cosmic noise

Spinning neutron stars

Colliding neutron stars

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Ground-based

Possible future sources for signals

sey Reed, Penn State

Supernovae

NASA/WMAP Science Team

Cosmic noise

Spinning neutron stars

Colliding neutron stars

LISA (2032 ?)

Couples de trous noirs supermassifs

Couples de trous noirs

Binaires galactiques

Supernovaegalactiques

pulsars

Adv Virgo +

~1 million of NS-NS a year up to z~2

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La première seconde de la vie de l’Univers

Ce n’est qu’un début !

-> physique fondamentale, astrophysique, cosmologie.

• Test de la Relativité Générale en champ fort• Distribution de masse des trous noirs et leur évolution.• Histoire de l’Univers• Contraintes sur les Modèles d’énergie sombre.• Sonder la première seconde• Etude de l’espace temps près de l’horizon• Équation d’Etat des étoiles à neutrons• Dynamique des grands structures de l’Univers...• Comment explosent les Supernovae ?• Quels sont les progéniteurs des GRB courts ?