observation d’ondes gravitationnelles de la fusion de...
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OBSERVATIOND’ONDESGRAVITATIONNELLESDELAFUSIONDEDEUXTROUSNOIRSTaniaRegimbaupourlaCollaborationScienti4iqueLIGOetlaCollaborationVirgoSF2A,LYON,14/06/2016
NousavonsdétectédesOndesGravita@onnelles!!14Septembre2015à09:50:45UTC
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1.3milliardsd’annéesplustôt
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Plan
• Introductiongénéralesurl’astronomiegravitationnelle
• Lapremièredétectiondelafusiondedeuxtrousnoirs
• Implicationsenastronomie,cosmologieetphysiquefondamentale
• Etensuite?
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L’Universobservé
• Presquetoutcequel’onconnaîtdel’Universnousvientdesondesélectromagnétiques.
• L’Universobservéreprésenteunefaiblefractiondesoncontenu(matièrenoire,énergienoire)
• Lefonddiffuscosmologique300,000ansaprèslebigbangmarquelafrontièredel’Universobservé.
• Aujourd’huiunenouvellefenêtrevientdes’ouvriraveclesondesgravitationnelles!
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Astronomiedesondesgravita@onnelles• Les OG sont des perturbations de l’espace-temps créées par l’accélération nonsymmétriquedemassesoupardeschampsnonstationnaires.
• LesOGsontproduitesdansdesconditionsextrêmesdevitesseetdecompacité(étoilesàneutrons,trousnoirs)
• LesOGsepropagentàlavitessedelalumière.Interactionfaibleaveclamatière.
• Le pulsar binaire découvert par Hulse et Taylor en 1974 est la première preuve del’existencedesOG(TayloretWeisberg).
• Le16Septembre2015,premièredétection“directe”parAdvLIGO.
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Effetsdesondesgravita@onnelles
• LesOGmodi4ientlastructuredel’espace-temps.
• UneOGpassantentredeuxmasseschangeladistanceentreelles.
• Enalternance,ilyacontractionetélongationdansdesdirectionsperpendiculaires.
• Fusiondedeuxétoilesàneutronsdansl’amasdeVirgo
h=δ l / l~10−21
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Interferométrielaser
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Leréseaudedétecteurs
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• Premièredétection``directe’’d’uneondegravitationnelleMaisaussi:• Premièreobservationdirected’untrounoir.• Premièreobservationdirected’unsystèmebinairedetrousnoirs.• PreuvequecessystèmespeuventfusionnerpendantletempsdeHubble.• Evénementastrophysiqueleplusénergétiquejamaisobservé.- ~3massessolairesen~0.2s- Aumaximumdel’emission:3.61056erg/s!
Ladécouverte
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arXiv:1602.03840
• 8cyclesentre35et150Hz.• Vitesserelativeatteint~0.6c.• Séparationdequelquescentainesdekm• Mesure de lamasse totale (>70M¤) et de la``chirpmass’’(30M¤)àpartirdumaximumdelafrequenceetdeladérivéedelafréquence.
Coalescencededeuxtrousnoirs
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Recherchegénérique
• Hypothèsesminimalessurl’origineoulaformedusignalgravitationnel.
• Identi4icationd’unexcèsdepuissancedansleplantemps/fréquence,encoïncidencedanslesdonnéesdesdeuxdétecteurs.
• Laformed’ondereconstruiteestconsistanteavecunsignalgravitationnelcommundanslesdeuxdétecteurs(multidetectormaximumlikelihood)
• Lastatistiquededétectiontientcomptedurapportsignalàbruitetdelacohérenceentrelessites:
arXiv:1602.0384312
Recherchedecoalescencesdebinaires• Le signal gravitationnel est très bien modélisé dans le cadre des théories post-newtoniennes (phase spirale), des théories perturbatives (ringdown), et de larelativiténumérique(fusion).Laméthodeoptimaleestcelledu4iltreadapté.
• Calcule du ``match-4ilter SNR’’ pour chaque ``template’’ et chaque détecteur(adéquationde90%)
• Sélectiond’évènementsencoïncidencedanslesdeuxdétecteurs(délais<15mspourlemême``template’’).
• Testsd’adéquationentre lesdonnées et le ``template’’ (chi-squared, goodnessof 4it)permettentdesupprimerlesvaleursélevéesduSNRduesaubruitnongaussien.
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arXiv:1602.03839
Filtreadapté14
CreditChadHanna 250,000templates
Degrédesignifica@on
• Tauxauquellebruitdudétecteurproduitdesévènementsavecunestatistiquededétectionsupérieureàcelleducandidat(background)
• Dif4iculté:pasde``nullstream’’,bruitnonstationnaireetnonGaussien.
• Techniquesde``time-shift’’pourproduiredenouveauxéchantillons
• Surestimationdubackground(OGtoujoursprésente)
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Générique:4.6σ(FAR=1/22,500ans,FAP<2E-6)Filtreadapté:5.1σ(FAR=1/203,000ans,FAP<2E-7)
LVT151012
Qualitédesdonnées17
• DétecteursstablespendantplusieursheuresautourdeGW150914(pasdevetoe).
• Sensibilitémoyenneet``background’’typiquesdelapériodetotaleanalysée(12/09/2015-20/10/2015)
• Etudeexhaustivedesbruitsinstrumentauxetenvironnementaux(magnétiques,fréquencesradio,acoustiques…)
• Etuded’autressourcesdebruit(activitéhumaine,météo,avions…)
GW150914versusBlip18
Reconstruc@ondusignal19
Es@ma@ondesparamètres• Méthodesbayésiennes(MarkovChain,Nestedsampling)8paramètresintrinsèques(masses,spins)9paramètressupplémentaires(coordonnéescélestes,distancedeluminosité,orientation,tempsetphasedecoalescence).• Bonnescontraintessurlesmasses• Mesuredeladistancedeluminositémaispasduredshift.• Mauvaiselocalisationdansleciel(600deg2)partriangulation.AméliorationavecVirgod’unfacteur10.
• Taux:2-400Gpc-3yr-1(avantGW150914:0.1-300Gpc-3yr-1)
arXiv:1602.0384020
Interpréta@onastrophysiqueMassesdestrousnoirs(m1=36M¤andm2=29M¤)supérieuresauxmassesmesuréesLMXRBs(M<20M¤).• Scénariod’évolution:- Formesdansunenvironnementpeumétallique(ventsolaireetpertedemomentangulaireréduits).
- Binaireisoléeaveccourtoulongdélais.- Oucapturedynamiquedansunenvironnementdense(ségrégationdemasse).
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arXiv:1602.03846
Dvorkinetal.2015
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Belzcynskietal.2010
Belzcynskietal.2010
TestsdelaRela@vitéGénérale
• Premierstestsenchampsfort-Formesd’ondesretrouvéessontenaccordaveclesprédictionsdelaRG(~94%)-Massesetspinsmesuresdutrounoir4inalenaccordaveclesvaleurscalculéesaveclaRG.-Premièrescontraintesdynamiquessurlessériespost-newtonniennes.-Constraintessurlamassedugraviton(oulongueurd’ondecompton)
• AucuneévidencedeviolationdelaRG
Ψeff ( f ) = Ψ( f ) − β f −1 + φg + τ g f
β = πD / λg2 (1+ z)
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arXiv:1602.03847
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TestsdelaRela@vitéGénérale
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TestsdelaRela@vitéGénérale
Fondstochas@queLasuperpositiondessystèmesdetrousnoirsnonrésolusformentunfondgravitationnelquipourraitêtredétectépardestechniquesdecross-correlationavantquelasensibiliténominalenesoitatteinte.
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arXiv:1602.03841
Etensuite?Beaucoup d’autres détections sont attendues avec d’importantes conséquences enphysique fondamentale, astrophysique et cosmologie. (nous avons publié l’analyse de~1/3deO1pourdesmasses<100M¤)• TestsdeRGenchampfort• Distributiondelamassedestrousnoirsetsonévolutionavecleredshift• Evolutiondesétoilesmassives• Energienoire• Astronomiemultimessager
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ExtraSlides28
Ar@clesDetection:http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.116.061102https://www.ligo.caltech.edu/page/detection-companion-papersLIGO-P1500237:GW150914:TheAdvancedLIGODetectorsintheEraofFirstDiscoveriesLIGO-P1500229:Observinggravitational-wavetransientGW150914withminimalassumptionsLIGO-P1500269:GW150914:FirstresultsfromthesearchforbinaryblackholecoalescencewithAdvancedLIGOLIGO-P1500218:PropertiesofthebinaryblackholemergerGW150914LIGO-P1500217:TheRateofBBHMergersInferredfromAdvancedLIGOObservationsSurroundingGW150914LIGO-P1500262:AstrophysicalImplicationsoftheBinaryBlack-HoleMergerGW150914LIGO-P1500213:TestsofgeneralrelativitywithGW150914LIGO-P1500222:GW150914:Implicationsforthestochasticgravitational-wavebackgroundfrombinaryblackholesLIGO-P1500248:CalibrationoftheAdvancedLIGOdetectorsforthediscoveryofBBHmergerGW150914LIGO-P1500238:CharacterizationoftransientnoiseinAdvancedLIGOrelevanttoGWsignalGW150914LIGO-P1500227:Localizationandbroadbandfollow-upofthegravitational-wavetransientGW150914LIGO-P1500271:High-energyNeutrinofollow-upsearchofGWEventGW150914withIceCubeandANTARES
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AdvancedLIGOaumomentdeGW150914
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CoalescencerateofstellarBBHs
• Numberoftriggers(Poissonprocess)• Detectionvolumedependsondetector
sensitivityandsourceparameters.
• Assumeuniformdistributionincomovingvolme
(smalldistances)
• Rateestimate:2-400Gpc-3yr-1• BeforeGW150914:0.1-300Gpc-3yr-1(Abadieet
al.2010)
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arXiv:1602.03842