nouvelles du cosmos ondes gravitationnelles

1PHY-V006 La physique dans tous ses étatsSerge Pineault - Département de physique, de génie physique et d'optique

Il y a environ 1.3 milliards d'année, par une belle soirée

étoilée dans une galaxie loin de chez nous, pendant que

les amibes étendaient leur contrôle total et absolu sur

la planète Terre, deux trous noirs d'environ 30 masses solaires

unissaient leur destinée dans un spectaculaire déchaînement

d'ondes gravitationnelles, lesquelles secoueraient

violemment ladite planète Terre le 14 septembre 2015 à

09:50 UTC, exactement 100 ans après la théorie de

la Relativité Générale d'un certain Albert.

Nouvelles du cosmosOndes gravitationnelles


2

Figure 1.0


100 ans de relativité générale1915-2015

Figure 1.1


● Théorie de la relativité générale: 1915

● Premier article d'Einstein sur les ondesgravitationnelles: 1916

● Détection des ondes gravitationnelles le 14 septembre 2015

● Annonce le 11 février 2016

Bref historique


Plan de la présentation

Un mot sur la relativité générale

Pourquoi on fait confiance à la théorie d'Einstein: le système GPS

Ondes gravitationnelles le 14 septembre 2015 et avant...

Le futur des ondes gravitationnelles


La relativité générale


Eléments de théorieRelativité restreinte

– Vitesse de la lumière constante, peu importe le mouvement de la source ou de l'observateurc = 300 000 km/s

– Référentiels différents: les horloges ne font pas tic-tac au même taux!

Relativité générale

– Géométrie = courbure

– Le temps est ralenti dans un champ gravitationnel

– La lumière est déviée par la gravité


La gravité courbe,déforme l'espace-temps

GRAVITÉ = GÉOMÉTRIE

Figure 1.2

Figure 1.3


Les 3 tests classiquesde la

relativité générale

Figure 1.4

Figure 1.5


Pourquoi les scientifiques avaient-ilsla certitude que les ondes

gravitationnellesseraient éventuellement observées?

Plusieurs confirmations modernes

● Système GPS

● Lentilles gravitationnelles

Pulsar binaire

● Précession du périastre

● Explication: ondes gravitationnelles

Cependant: champs faibles


GPS

Figure 1.6


1971Retard de

59 microsecondes

Avance de 273 microsecondes

Figure 1.7

Figure 1.8


Figure 1.9

Figure 1.10

Figure 1.11


Après 1 jour, une horloge dans un satellite a pris 46 microsecondes de retard (gravité) et 7 microsecondes d'avance (vitesse) sur une horloge au sol

Ecart net: 39 microsecondes (0.000 039 s)

● 1 seconde après 70 ans!

Traduit en distance: 300 000 km/s * 0.000 039 s = 12 km !!!

Ecart entre satellite et sol


Ondes gravitationnelles le 14 septembre 2015 et avant. . .

Figure 1.12

Figure 1.13


Comparaison avec l'électromagnétisme

Une charge accélérée émet du rayonnement électromagnétique

Une distribution de masse accélérée émet du rayonnement gravitationnel

Ondes gravitationnelles beaucoup plus faibles

Conséquence: perte d'énergie

Figure 1.14


Confirmation indirecte

● PSR 1913+16 (P = 59 ms)

● Système binaireP(orb) = 7.75 h

● Perte d'énergie par ondes gravitationnellesLes 2 étoiles se rapprochent!

Figure 1.15

Figure 1.18

Figure 1.17

Figure 1.16


Orbite diminue de 3 mm par orbite!

Valable uniquement pour des champs faibles

Figure 1.19

Figure 1.20


Sources potentielles d'ondes gravitationnelles

● Trous noirs binaires

– stellaires (détection du 14 septembre!)

– super-massifs (dans les noyaux de galaxie)

● Trous noirs isolés

● .... Ce ne sont pas

des taches noires,mais des trous noirs

Figure 1.21


Trou noir dans son extrême simplicité

Zone de non-retour:rien ne peut s'échapper

de l'intérieur del'horizon, même pas

la lumière!

Les trous noirs existent-ils vraiment?

Figure 1.22


Trous noirs binaires supermassifs

Masse: 4.3 millions de masse solaire

Périhélie de S2 et S14: 100 UA = 1300 rayons de Schwarzschild

Dans notre propre Galaxie!

Figure 1.23


Figure 1.24

Figure 1.25

Figure 1.26


Fusion de 2 trous noirs de 100 000 masses solairesSimulations numériques

Figure 1.28

Figure 1.27


Onde électromagnétique: vecteur (1D)

Onde gravitationnelle: tenseur (2D)

Polarisation des ondes gravitationnelles

Animation ESA

Figure 1.29


LIGOLaser Interferometer Gravitational-wave Observatory

Figure 1.29

Figure 1.30


Figure 1.31


Figure 1.32


Longueur de chaque bras: 4 km

Hanford (Washington)

Livingston (Louisiana)

LIGOPrécision de LIGO

équivalente àmesurer la distance à Proxima du Centaure

avec une erreur inférieure à

l'épaisseur d'uncheveu

Figure 1.33

Figure 1.34


Détection du 14 septembre 2015

Simulations

Figure 1.35

Figure 1.36


Détection du 14 septembre 2015

Simulations


Interprétation des observations

On peut éliminer les objets “normaux”, tels les naines blanches, les étoiles à neutrons

Seule possibilité: fusion de 2 trous noirs situés à 1.3 milliards d'année-lumière

Champs gravitationnels extrêmes!

Figure 1.36


Figure 1.37

Figure 1.38

Figure 1.39


Énergie sous forme d'ondes gravitationnelles

Luminosité équivalente au moment du maximum d'émission


Une comparaison banale...

Transformation d'hydrogène en héliumdans le coeur du Soleil


Coalescence de 2 trous noirs observésde près... (simulation)

Figure 1.40


Le futur des

ondes gravitationnelles

Figure 1.13


Détecteur LIGO en Inde, Virgo...

“Pulsar Timing Array”

LISA: Laser Interferometry Gravitational-wave Antenna

LISA Pathfinder: en orbite déjà!


LISA: Probing the Universe with Gravitational Waves(LISA-LIST-RP-436, version 1.2, March 2009)

L = 5 millions de km

Figure 1.42

Figure 1.41


LISA Pathfinder

Mission ESA (et NASA)

Lancée en décembre 2015

Présentement en orbite à 1.5 million de km vers leSoleil au point L1

Figure 1.43

Figure 1.45

Figure 1.44


Les 3 détections (juin 2017)

Figure 1.46


Figure 1.47


Figure 1.48


Figure 1.49

PHY-V006: La physique dans tous ses etats Nouvelles du cosmos

Source des illustrations

OG : Abbott, B.P. et al. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Phys. Rev.Letters, 116, 061102 (2016).CM : Chaisson, E. & MacMillan, S. Astronomy – A Beginner’s Guide to the Universe, 3rd ed. (Prentice-Hall2001).CP : Bennet, J., Donohue, M., Schneider, N. & Voit, M. Cosmic Perspective, 2nd ed. (Addison Wesley 2002).Hartle : Hartle, J.B., Gravity : an Introduction to Einstein’s General Relativity (Addison-Wesley 2002).LISA : Prince,T et al. LISA : Probing the Universe with Gravitational Waves, LISA-LIST-RP-436, Version1.2 (2007, revised 10 March 209).Schutz : Schutz, B., A First Course in General Relativity (Cambridge 2009).

Ondes gravitationnelles

Fig. 1.1: Repere a http ://blacksalesjournal.com/2011/12/15/100th-issue-of-black-sales-journal (page con-sultee le 10 avril 2017) – Fig. 1.2: Repere a http ://luth2.obspm.fr/∼luminet/luminet.html (page consulteele 10 avril 2017) – Fig. 1.3: Repere a http ://space.mit.edu/LIGO/images/binary-wave.jpg (page consulteele 10 avril 2017) – Fig. 1.4: CP p.419 – Fig. 1.5: CM p.342 – Fig. 1.6: Repere ahttp ://truckerslogic.com/gamin-nuvi-50lm-5inch-portable-gps-navigator-review (page consultee le 10 avril2017) – Fig. 1.7: Repere a http ://conspiracyoffline.com/Hafele/HafeleKeating.html (page consultee le 10avril 2017) – Fig. 1.8: Repere a http ://ligthandmatter.com/article/hafele keating.html (page consulteele 10 avril 2017) – Fig. 1.9: US Government – Fig. 1.10: Wikimedia Commons – Fig. 1.11: Repere ahttp ://www.physics.org/article-questions.asp ?id=55 (page consultee le 10 avril 2017) – Fig. 1.12: Wiki-media Commons – Fig. 1.13: Repere a http ://space.mit.edu/LIGO/images/binary-wave.jpg (page con-sultee le 10 avril 2017) – Fig. 1.14: Repere a http ://www.iop.org/resources/topic/archive/gravitational-waves/page 67003.html (page consultee le 10 avril 2017) – Fig. 1.15: CM p.380 – Fig. 1.16: WikimediaCommons – Fig. 1.17: Joseph Taylor – Wikimedia Commons – Fig. 1.18: Russel Alan Hulse – WikimediaCommons – Fig. 1.19: Repere a http ://www.astro.cornell.edu/academics/courses/astro201/psr1913.htm(page consultee le 10 avril 2017) – Fig. 1.20: LISA, p. 9 – Fig. 1.21: D’apres Corbel, S., Universite ParisDiderot et CEA Saclay, presentation a la reunion annuelle du CRAQ, mai 2015. – Fig. 1.22: Hartle, p. 188– Fig. 1.23: Eisenhauer et al., ApJ, 628, 246 (2005) – Fig. 1.24: NRAO/AUI – Fig. 1.25: Space TelescopeScience Institute et LISA, p.61) – Fig. 1.26: APOD 14 mars 2010 – Fig. 1.27: LISA, p. 46 – Fig. 1.28:

LISA, p. 3 – Fig. 1.29: Schutz, p. 210 – Fig. 1.30: Repere a http ://ww.ligo.caltech.edu (page consulteele 10 avril 2017) – Fig. 1.31: Repere a http ://www.economist.com/news/science-and-technology/21692851(page consultee le 10 avril 2017) – Fig. 1.32: Idem – Fig. 1.33: Wikimedia Commons – Fig. 1.34: Reperea http ://ww.ligo.caltech.edu (page consultee le 10 avril 2017) – Fig. 1.35: LISA, p. 4 – Fig. 1.36: OG p.061102-2 – Fig. 1.37: OG p. 061102-3 – Fig. 1.38: OG p. 061102-7 – Fig. 1.39: Ruffini R. & Wheeler J.A.Physics Today (April 2009) p.47 – Fig. 1.40: Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) collaboration – Fig.

1.41: LISA, page couverture – Fig. 1.42: LISA, p. 1 – Fig. 1.43: NASA – Fig. 1.44: NASA/JWST – Fig.

1.45: Repere a http ://www.esa.int (page consultee le 10 avril 2017) – Fig. 1.46: LSC/OzGrav – Reperea https ://www.theregister.co.uk/2017/06/01/ligo physicists find new gravitational wave/ (page consultee le10 juin 2017) – Fig. 1.47: Repere a http ://www.caltech.edu/news/ligo-detects-gravitational-waves-third-time-78193 (page consultee le 10 juin 2017) – Fig. 1.48 - 1.49: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (AuroreSimonnet) – Repere a http ://caltech.edu/news (page consultee le 10 juin 2017) –

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