nouvelles du cosmos ondes gravitationnelles
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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
2PHY-V006 La physique dans tous ses étatsSerge Pineault - Département de physique, de génie physique et d'optique
2
Figure 1.0
3PHY-V006 La physique dans tous ses étatsSerge Pineault - Département de physique, de génie physique et d'optique
100 ans de relativité générale1915-2015
Figure 1.1
4PHY-V006 La physique dans tous ses étatsSerge Pineault - Département de physique, de génie physique et d'optique
● 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
5PHY-V006 La physique dans tous ses étatsSerge Pineault - Département de physique, de génie physique et d'optique
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
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La relativité générale
7PHY-V006 La physique dans tous ses étatsSerge Pineault - Département de physique, de génie physique et d'optique
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
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La gravité courbe,déforme l'espace-temps
GRAVITÉ = GÉOMÉTRIE
Figure 1.2
Figure 1.3
9PHY-V006 La physique dans tous ses étatsSerge Pineault - Département de physique, de génie physique et d'optique
Les 3 tests classiquesde la
relativité générale
Figure 1.4
Figure 1.5
10PHY-V006 La physique dans tous ses étatsSerge Pineault - Département de physique, de génie physique et d'optique
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
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GPS
Figure 1.6
12PHY-V006 La physique dans tous ses étatsSerge Pineault - Département de physique, de génie physique et d'optique
1971Retard de
59 microsecondes
Avance de 273 microsecondes
Figure 1.7
Figure 1.8
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Figure 1.9
Figure 1.10
Figure 1.11
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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
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Ondes gravitationnelles le 14 septembre 2015 et avant. . .
Figure 1.12
Figure 1.13
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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
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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
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Orbite diminue de 3 mm par orbite!
Valable uniquement pour des champs faibles
Figure 1.19
Figure 1.20
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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
20PHY-V006 La physique dans tous ses étatsSerge Pineault - Département de physique, de génie physique et d'optique
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
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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
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Figure 1.24
Figure 1.25
Figure 1.26
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Fusion de 2 trous noirs de 100 000 masses solairesSimulations numériques
Figure 1.28
Figure 1.27
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Onde électromagnétique: vecteur (1D)
Onde gravitationnelle: tenseur (2D)
Polarisation des ondes gravitationnelles
Animation ESA
Figure 1.29
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LIGOLaser Interferometer Gravitational-wave Observatory
Figure 1.29
Figure 1.30
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Figure 1.31
27PHY-V006 La physique dans tous ses étatsSerge Pineault - Département de physique, de génie physique et d'optique
Figure 1.32
28PHY-V006 La physique dans tous ses étatsSerge Pineault - Département de physique, de génie physique et d'optique
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
29PHY-V006 La physique dans tous ses étatsSerge Pineault - Département de physique, de génie physique et d'optique
Détection du 14 septembre 2015
Simulations
Figure 1.35
Figure 1.36
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Détection du 14 septembre 2015
Simulations
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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
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Figure 1.37
Figure 1.38
Figure 1.39
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Énergie sous forme d'ondes gravitationnelles
Luminosité équivalente au moment du maximum d'émission
34PHY-V006 La physique dans tous ses étatsSerge Pineault - Département de physique, de génie physique et d'optique
Une comparaison banale...
Transformation d'hydrogène en héliumdans le coeur du Soleil
35PHY-V006 La physique dans tous ses étatsSerge Pineault - Département de physique, de génie physique et d'optique
Coalescence de 2 trous noirs observésde près... (simulation)
Figure 1.40
36PHY-V006 La physique dans tous ses étatsSerge Pineault - Département de physique, de génie physique et d'optique
Le futur des
ondes gravitationnelles
Figure 1.13
37PHY-V006 La physique dans tous ses étatsSerge Pineault - Département de physique, de génie physique et d'optique
Détecteur LIGO en Inde, Virgo...
“Pulsar Timing Array”
LISA: Laser Interferometry Gravitational-wave Antenna
LISA Pathfinder: en orbite déjà!
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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
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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
40PHY-V006 La physique dans tous ses étatsSerge Pineault - Département de physique, de génie physique et d'optique
Les 3 détections (juin 2017)
Figure 1.46
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Figure 1.47
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Figure 1.48
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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) –