Les Ondes Gravitationnelles ou les frémissements de l'espace-temps - Cavalier Fabien 14/10/2017 - Indico
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Les Ondes Gravitationnelles
ou les frémissements de l'espace-temps
Cavalier Fabien
14/10/2017
11 février 2016, 16:30 heure de Paris
Conférences de presse
simultanées :
• Washington
• Cascina (site de Virgo,
Italie)
• Paris
• Amsterdam
• …
Ladies and gentlemen, we have detected gravitational waves, we did it.
Les Ondes Gravitationnelles
Astronomie :
• Ondes Radio
Ondes électromagnétiques
• Infrarouge
émises par des
• Visible
charges électriques
• Ultraviolet
en mouvement
• Rayons X
ou des réactions nucléaires
• Rayons g
Les Ondes Gravitationnelles
sont émises par des masses en mouvement
Pourquoi détecter les ondes gravitationnelles ? • Tester la Relativité Générale dans un nouveau domaine • Ouvrir une nouvelle fenêtre sur l’Univers • Mesurer directement les masses des objets • Voir directement des trous noirs • Accéder au cœur d’événements violents : supernova, sursauts gamma … • Mesurer la géométrie de l’Univers avec de nouvelles sondes
Relativité Générale d'Einstein
« La matière indique à l'espace-temps comment se courber,
l'espace-temps indique à la matière comment se déplacer »
J.A. Wheeler
Un objet massif courbe l’espace-temps Un objet se déplace dans l'espace-
temps courbé par les autres objets
Effet du passage d’une onde gravitationnelle La déformation relative DL/L est proportionnelle à leur amplitude h
Un Générateur d’OG sur Terre
source distance h P (W)
Barre d’acier, 500 T, = 2 m 1m 10-34 10-29
L = 20 m, 5 tours/s
Bombe H 1 mégatonne 10 km 10-29 10-11
Asymétrie 10%
Indétectable
Formule du Quadrupole :
G
P 5 Q
Q
5c
Moment Quadrupolaire :
G/5c5 ~10-53 W-1 quantifie l’écart à la
symétrie sphérique
“G/c5 very small, c5/G will be better” © J. Weber (1974)
• asymétrie de la source
5 2 6
5c 2 R v • Rs rayon de Schwarzschild de la source
P 6
S
2 • R rayon de la source
G R c Taille du trou noir
• v vitesse typique de la source qui aurait la masse de
la source
Seuls les phénomènes astrophysiques cataclysmiques
peuvent émettre des ondes gravitationnelles détectables
La Fin de la Vie d’une Etoile
La vie d’une étoile est un équilibre
entre les réactions nucléaires qui « veulent la faire gonfler »
et la gravitation qui « veut la comprimer »
A la fin, si la masse du cœur est :
Inférieure à 1,44 MSoleil Naine Blanche (R~1000 km)
Entre 1,44 et ~ 3,2 MSoleil explosion en supernova,
formation d’une étoile à neutrons (R~ 10 km)
Supérieure à ~3,2 MSoleil Trou Noir
Les Trous Noirs
Région de l’espace-temps dans laquelle la gravitation est si forte que rien ne peut
s’échapper, même la lumière
Formés par l’effondrement d’étoiles massives qui ont épuisé leur combustible
Horizon d’un trou noir : Pas de retour en arrière une fois franchi
Analogie horizon d’un trou noir / chute d’eauCoalescence d’étoiles Quelques Sources d’OG
à neutrons
source distance h P (W)
Supernova 10 M 10 kpc 10-21 1044
asymétrie 10-5
Coalescence 10 Mpc 10-20 1050
de 2 trous noirs de 1 M
• Coalescence de trous noirs
Pulsars
• Désexcitation d’un trou noir
• Reliques du Big-Bang
•…
SupernovæUn siècle de Développements Scientifiques
• 15 : Relativité Générale (Einstein)
• 52 : La RG est un problème mathématique bien posé
(Choquet-Bruhat)
Prix Nobel 2017
• 57 : Les Ondes gravitationnelles peuvent être détectées
(Pirani, Bondi, Feynman) • 60s : Barre résonante (Weber)
• 63 : Solution pour un trou noir en rotation (Kerr) • 70s : Premier prototype d’interféromètre
(Forward)
• 73 : Découverte du pulsar binaire PSR1913+16 • 72 : Faisabilité des interféromètres (Weiss)
(Hulse & Taylor)
• 80s : Prototype d’interféromètres en laboratoire
(Weiss, Drever, Hough, Brillet, ...)
Médaille d’or
CNRS 2017• 90s : Formes d’ondes pour les coalescences (Blanchet,
Damour, Deruelle, Iyer, Will, Wiseman, ...) Prix Nobel 2017
R.Weiss K.Thorne B.Barish
Médaille d’or
CNRS 2017
• 90s : LIGO (USA) et Virgo (Fr-It) financés
• 00s : Formes d’ondes complètes Effective One Body
(Damour, Buonanno) • 00s : Prises de données pour LIGO et Virgo
• 06 : Simulation numérique Trou Noir - Trou Noir • 07 : Accord de collaboration LIGO-Virgo
(Pretorius, Baker, Loustos, Campanelli)
• 10s : Construction de Advanced LIGO et Advanced VirgoL’existence des ondes gravitationnelles a été prouvée indirectement
• Pulsar 1913+16: système binaire
d’étoiles à neutrons en orbite l’une
autour de l’autre
• Diminution de la période orbitale
• Diminution en accord avec la prédiction
de la Relativité Générale (perte d’énergie
par émission d’ondes gravitationnelles)
• R.Hulse & J.Taylor, Prix Nobel 1993Comment Les Détecter ?
Il faut mesurer des longueurs avec une précision relative de 10-21-10-22
une distance de l ’ordre de
150 millions de kilomètres
mesurée à mieux qu’un atome
Terre
SoleilLa Détection interférométrique
Miroir
Chemin 2
L’Interféromètre Miroir
de Michelson Semi-réfléchissant
Laser
Chemin 1
Miroir
Détecteur
de lumière1,064 m
Faisceau Chemin 1
Faisceau Chemin 2
Total : interférence constructive
Temps
Le détecteur de lumière « voit » la somme des deux faisceauxFaisceau Chemin 1
Faisceau Chemin 2
Total : interférence destructive
Temps appelée frange noire
L’état d’interférence dépend
de la différence de longueur entre les deux cheminsLa Détection interférométrique • Réglons l’interféromètre sur une frange noire • Une onde gravitationnelle va changer la longueur des chemins • Le détecteur va recevoir de la lumière • La quantité de lumière est proportionnelle à l’amplitude h
Les Détecteurs LIGO et Virgo • 90s : Projets LIGO (USA) et Virgo (Fr-It) lancés • 00s : Prises de données pour LIGO et Virgo : Pas de détection • 10s : Construction de Advanced LIGO et Advanced Virgo • 15 : Prises de données Advanced LIGO (3 fois plus sensibles) • 20 : Advanced LIGO et Advanced Virgo 10 fois plus sensibles que LIGO et Virgo
Le Défi Technologique
Mettre tout l’interféromètre S’isoler des vibrations du sol
(plusieurs milliers de m3 )
sous vide (P = 10-9 mbar)
Avoir des miroirs dont
Contrôler la position relative
la qualité est à la limite
des miroirs à mieux que
des techniques actuelles
1 millionième de micronLes interféromètres dans le monde
La Sensibilité des Instruments
LIGO
2010
Sept 2015
2018 Aout 2017
2020Que s’est il passé le lundi 14 Septembre ? • 09h50m45s (GMT) : Passage d’une onde gravitationnelle à Livingston puis à Hanford 7ms plus tard • 09h54m : Détection en ligne de l’événement par l’analyse dédiée aux « signaux impulsionnels » • 10h50 : Premier courriel • 11h10 : Pas de signal artificiel injecté (Confirmation officielle à 17h59 le même jour) • 11h20 : Evénement identifié comme binaire de trous noirs • 11h45 : Qualité des données OK
Les signaux détectés
Les signaux détectés
Est-on sur que ce n’est pas un artefact dû aux bruits ?
• Plus de 200 000 canaux auxiliaires ont été étudiés
• Bruits non-corrélés : activité humaine, tremblement
de terre, bruit radiofréquence …
• Bruits corrélés : éclairs, vent solaire …
• Tous les systèmes de contrôle et d’acquisition ont été
vérifiés pour exclure une action malveillante
• La qualité des données autour de GW150914 est bonne
et stable pendant plusieurs semainesLa Confiance dans le résultat • Analyse plus fine en utilisant des calques issus des calculs théoriques • Probabilité que cela soit un faux signal < 1 sur 5 millions
La coalescence de 2 trous noirs • Masses initiales : • Trou Noir 1 : entre 32 et 41 MSol • Trou Noir 2 : entre 25 et 33 MSol • Masse Finale : entre 58 et 67 MSol • Energie Emise : entre 2,5 et 3,5 Msol • Luminosité Maximale : 3.6 1056 erg/s
La Position dans le ciel • Distance : entre 0,75 et 1,9 milliards d’années-lumière • Boite d’erreur de 600 degrés carrés (3000 fois la taille de la lune) • Besoin d’au moins trois détecteurs pour localiser la source
GW170814 : Le premier événement vu par 3 détecteurs
• Masses initiales :
• Energie Emise : entre 2,4 et 3,1 Msol
• Trou Noir 1 : entre 28 et 36 MSol
• Trou Noir 2 : entre 21 et 28 MSol
• Luminosité Maximale : 3.7 1056 erg/s
• Masse Finale : entre 53 et 59 MSolLa Position dans le ciel et l’Impact d’un troisième détecteur
Tous les événements annoncés
1,3 milliards d’années-lumière
3,3 milliards d’années-lumière
1,4 milliards d’années-lumière
3 milliards d’années-lumière
1,8 milliards d’années-lumièreLe planning d’observations futures
Early Mid Late Design
60-80 60-100 150 200
Mpc Mpc Mpc Mpc
LIGO O1 O2 O3
27 70 100 130
Mpc Mpc Mpc Mpc
Virgo O2 O3
140
Mpc
KAGRA
2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023Pourquoi c’est une découverte fondamentale ?
• Premières détections directes d’ondes gravitationnelles émises par une source astrophysique
• Premières observations de systèmes binaires de deux trous noirs
• Premières découvertes de coalescences de deux trous noirs
• Premières évidences que des trous noirs stellaires peuvent avoir des masses supérieures à 15 Msol
• Premiers tests de la Relativité Générale dans le régime où la déformation de l’espace-temps est forte et
rapidement variable dans le temps
LIGO/Virgo ouvre une nouvelle fenêtre sur l’Univers
quatre siècles après l’invention de la lunette par Galiléehttp://www2.cnrs.fr/presse/communique/5237.htm https://nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=243379&org=NSF&from=news
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