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
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•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
61
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
65
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 ?