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Les ondes gravitationnelles, une nouvelle façon d’explorer l’Univers

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Les ondes gravitationnelles, une nouvelle façon d’explorer l’Univers

Le 14 septembre 2015, les détecteurs d'ondes gravitationnelles de la collaboration LIGO/VIRGO ont observé le signal de la coalescence de deux trous noirs ayant des masses de 36 et 29 masses solaires à une distance d’environ 1,3 milliards d'années-lumière. Cette découverte extraordinaire ouvre la voie à l'astronomie des ondes gravitationnelles. D'énormes avancées tant en astrophysique qu'en physique fondamentale sont attendues dans les prochaines années.

 

Un système binaire de deux trous noirs très proches de la coalescence finale. Le champ gravitationnel intense distord par l'effet de déviation gravitationnelle de la lumière l'image des étoiles situées à l'arrière-plan. © SXS - Simulating eXtreme Spacetimes

 

Des chercheurs de l'institut d’astrophysique de Paris (IAP, CNRS/UPMC) ont été pionniers dans le développement de nouvelles méthodes permettant d'obtenir, à partir de la théorie de la relativité générale, une prédiction très précise pour la forme d'onde du signal gravitationnel attendu lors de la coalescence d'étoiles à neutrons ou de trous noirs. Ces méthodes sont basées sur des approximations analytiques en relativité générale, et notamment sur le développement dit « post-newtonien ». Les gabarits d'ondes gravitationnelles post-newtoniens jouent un rôle crucial dans le processus de détection et d'analyse du signal dans les détecteurs d'ondes gravitationnelles. La forme d'onde post-newtonienne est valable dans la phase initiale spiralante de la coalescence et se raccorde aux calculs numériques pour la fusion finale des deux trous noirs.

Pour en savoir plus :

Institut d’astrophysique de Paris (IAP, CNRS/UPMC)Nouvelle fenêtre

 

À lire :

L'intégralité de l'article sur le site de l'IAP (CNRS/UPMC).Nouvelle fenêtre

 

Luc Blanchet, Gravitational radiation from post-Newtonian sources and inspiralling compact binariesNouvelle fenêtre, Living Review in Relativity 17, 2 (2014).

 

À voir :

Paroles... d'astrophysicienneNouvelle fenêtre. Laura Bernard étudie l'univers, et plus précisément la modélisation des ondes gravitationnelles émises par des trous noirs ou étoiles à neutrons en rotation.

 

Notes :

  • Un trou noir est un objet si compact que l'intensité de son champ gravitationnel empêche toute matière ou rayonnement de s’en échapper. Un tel objet ne peut ni émettre, ni réfléchir la lumière, il est donc en principe noir. Toutefois ceci n'est vrai que dans le cadre classique de la relativité générale : on sait, depuis les travaux de Hawking, qu'un trou noir émet du rayonnement à cause d'effets de physique quantique ; mais ce rayonnement est négligeable pour les trous noirs de grande masse, comme c’est le cas pour GW150914.
  • Une étoile à neutrons est le résidu d'une étoile massive ayant explosé en supernova, et est composée essentiellement de neutrons maintenus ensemble par la gravitation. Elle est difficilement observable, sauf si elle se manifeste par une émission radio pulsée (on dit alors qu’il s’agit d’un pulsar), ou par la présence d'un disque d'accrétion provenant de l'arrachage de matière à une étoile compagnon.
  • Un système binaire en astronomie est un ensemble composé de deux objets de l’Univers liés par la force de gravitation, et qui sont donc en orbite autour de leur centre de gravité commun.
  • Un an après sa formulation de la théorie de la relativité générale en novembre 1915, Einstein prédisait l'existence des ondes gravitationnelles. Puis, en 1918, il obtenait la célèbre formule dite du « quadrupôle » qui donne l'énergie émise sous forme d'ondes gravitationnelles par un système de matière. La preuve de l'existence des ondes gravitationnelles (et de la validité de la formule du quadrupôle) a été apportée en 1979 grâce aux observations du mouvement du pulsar binaire PSR 1913+16 découvert par Hulse et Taylor (prix Nobel en 1993).

Figures et illustrations :

Légende de la vignette : l'onde gravitationnelle observée par les deux détecteurs LIGO de Hanford et Livingstone dans un diagramme donnant l’évolution de la fréquence avec le temps. Pour une onde, la fréquence mesure le nombre d’oscillations par seconde. Dans le cas d'une onde gravitationnelle, la montée en fréquence du signal (en forme de « girafe ») est caractéristique d'une coalescence de deux objets compacts. © Collaboration LIGO/VIRGO

 

 

 

 

À gauche : le signal brut observé par le détecteur LIGO situé à Hanford, en unité de 10-21 fois la variation relative de longueur des bras de l’interféromètre. À droite : les deux signaux observés sur les deux sites de Hanford et Livingstone. Les temps d'arrivée des deux signaux sont séparés de 7 millisecondes. En bleu est montré un ajustement des données par une somme d'ondelettes (une description mathématique du signal, mais qui n'est pas physique) et en cyan le meilleur « gabarit » d'onde gravitationnelle qui représente la prédiction physique issue de la relativité générale. © Collaboration LIGO/VIRGO

 

 

Les masses des trous noirs sont mesurées par comparaison avec des prédictions théoriques combinant les calculs analytiques et numériques en relativité générale. Les courbes de niveaux indiquent la probabilité que l’on ait deux valeurs simultanées des masses m1 et m2 pour les deux trous noirs. Les courbes le long de chaque axe montrent les distributions de probabilité pour la masse de chaque trou noir. Les pics de ces courbes indiquent les deux valeurs les plus probables pour l’évènement GW150914, soit 36 fois la masse du soleil pour m1, et 29 fois pour m2, avec une incertitude d’environ 4 masses solaires pour chacun. © Collaboration LIGO/VIRGO

 

L'onde gravitationnelle dans les trois phases de la coalescence d'un système double d'objets compacts, et les méthodes utilisées pour la déterminer. Le calcul post-newtonien valable dans la phase spiralante est représenté en pointillés rouges. Il se raccorde avec le calcul numérique valable dans les phases de fusion et de relaxation et qui est représenté en trait bleu. DR



14/03/16