Genèse d'une onde gravitationnelle.

[papy-alain]

Bonjour à tous.

Il y a quelques semaines, nous avons détecté pour la première fois la présence d'une onde gravitationnelle générée par la fusion de deux TN.
Il a été calculé que la masse résultante de cette fusion était inférieure de trois masses solaires à la somme des masses initiales avant leur fusion.
Ma question porte sur la nature du phénomène permettant à une masse de générer une onde gravitationnelle. Plus clairement, comment un TN peut il perdre de la masse autrement que par la rayonnement Hawking ? Quelle est la description du processus générant une onde gravitationnelle ?
Merci par avance.
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[Deedee81]

Salut,

Il y a quelques semaines, nous avons détecté pour la première fois la présence d'une onde gravitationnelle générée par la fusion de deux TN.
Il a été calculé que la masse résultante de cette fusion était inférieure de trois masses solaires à la somme des masses initiales avant leur fusion.
Ma question porte sur la nature du phénomène permettant à une masse de générer une onde gravitationnelle. Plus clairement, comment un TN peut il perdre de la masse autrement que par la rayonnement Hawking ?

Il y avait eut une question semblable peu après la découverte.

L'onde gravitationnelle prend naissance et vient du champ gravitationnel entourant les deux trous noirs. Pas de l'intérieur.
La masse totale d'un trou noir c'est la masse de la matière tombée dedans et l'énergie du champ gravitationnel.
Pour un TN cette énergie du champ gravitationnel est énorme, colossale.

On a quelque chose de tout à fait semblable avec un TN en rotation.
Il est possible d'extraire de l'énergie d'un trou noir en rotation !!!!
https://fr.wikipedia.org/wiki/Processus_de_Penrose
Mais ce qui est extrait c'est l'énergie du champ gravitationnel "en rotation" autour du TN (cette cette rotation du champ qui est responsable de l'ergosphère : https://fr.wikipedia.org/wiki/Ergosph%C3%A8re )
Et d'ailleurs le processus s'arrête en même temps que le TN arrête de tourner, il devient un TN "mort" de Schwartzchild.

Notons qu'on dit toujours "le champ gravitationnel du TN". Mais en réalité c'est le champ gravitationnel fossile (*) de l'étoile qui a donné naissance au TN (et tout ce qui a pu fusionner ou tomber dedans après).
(*) ce qui est cohérent avec la dilatation du temps extrême près de l'horizon.

Quelle est la description du processus générant une onde gravitationnelle ?

Pas facile à décrire ça (sans calcul). Si quelqu'un a une idée....

[Deedee81]

champ gravitationnel "en rotation" autour du TN (cette cette rotation du champ qui est responsable de l'ergosphère : https://fr.wikipedia.org/wiki/Ergosph%C3%A8re )

A noter qu'on devrait bientôt (d'ici quelques années) avoir des images en direct de TN supermassif et on devrait bien voir ce truc là (forte asymétrie dans l'image de l'anneau lumineux entourant le TN, anneau venant des rayons lumineux des étoiles déviés par le TN, et l'image du disque d'accrétion).

[Deedee81]

Oublié de dire que même avec Hawking, l'énergie émise ne vient pas de l'intérieur !!!! On doit voir l'horizon comme une coupure causale, totalement infranchissable (ce n'est pas simplement une barrière).
Le rayonnement de Hawking prendrait naissance tout près de l'horizon et l'évaporation (l’amaigrissement) du TN serait produite par la chute des particules d'énergie négative dans le TN.

Même si c'est relativement solide (TQC + RG) j'ai quand même préféré parler au conditionnel.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite06459106]

Pas facile à décrire ça (sans calcul). Si quelqu'un a une idée....

Facile, une masse soumise a une accélération engendre des perturbations de l'espace-temps, dîtes ondes gravitationnelles.
Sans calculs, donc du blabla (perfectible) qui peut contenter, donne une "image", mais ne décrit rien...enfin, tout dépend de ce que l'on entend par décrire.

[papy-alain]

...Mais comment peut on expliquer qu'une masse aussi importante puisse brutalement sortir du TN, de par le simple fait de cette fusion ?

[invite06459106]

Avec les mains:
Quand la période orbitale diminue ( donc "mouvement" donc accélération), il y a perte d'énergie, donc émissions d'OG, durant tout le processus, mais la capacité instrumentale étant ce qu'elle est, il faut un certain "taux" pour enregistrer le truc, ce que tu appelles "brutalement". Et plus les masses se rapprochent plus y a émission d'OG (les déformations de l'espace-temps sont de plus en plus importantes, plus intenses). Et cela ne sort pas du TN, mais de son "environnement", les déformations de l'espace-temps en dehors des TN.

[Deedee81]

...Mais comment peut on expliquer qu'une masse aussi importante puisse brutalement sortir du TN, de par le simple fait de cette fusion ?

Tu n'as pas lu ma réponse ? Ca ne vient pas de l'intérieur des TN. Voir aussi la réponse de didier.
C'est vraiment très proche du processus de Penrose sauf qu'ici il s'agit de deux TN en rotation l'un autour de l'autre et pas juste un TN en rotation.

Sans calculs, donc du blabla (perfectible) qui peut contenter, donne une "image", mais ne décrit rien...enfin, tout dépend de ce que l'on entend par décrire.

C'est dur dur. Par exemple, je cherche toujours un moyen d'expliquer clairement pour un profane ce qu'on veut dire par "onde gravitationnelle quadrupolaire".
Enfin, si, ça c'est pas trop difficile à expliquer (surtout avec un cht'tit dessin) mais je veux dire comment expliquer pourquoi cela implique que les O.G. sont presque toujours extrêmement faibles.

[invite06459106]

C'est dur dur. Par exemple, je cherche toujours un moyen d'expliquer clairement pour un profane ce qu'on veut dire par "onde gravitationnelle quadrupolaire".

Bah pour un plus profane que moi, je m'embête pas avec la variation du moment quadrupolaire, comme ça le problème est réglé.
Plus sérieusement, les rares fois où j'explique un truc en physique, pour un profane, je donne l'explication simplifié en disant que ce n'est pas parfait, mais pas "trop" faux", bien que discutable s'y on veut rentrer dans les détails, si la personne est intéressé (et que je peux), j'approfondis, et en général elle dort en deux mn après, ou baîlle, ou...bref, je ne sais pas rendre les choses suffisamment passionnantes pour qu'elle reste accrochée....

[Deedee81]

et en général elle dort en deux mn après, ou baîlle, ou...bref, je ne sais pas rendre les choses suffisamment passionnantes pour qu'elle reste accrochée....

C'est plus facile sur un forum où l'on est tous des passionnés

[papy-alain]

D'accord que l'onde ne vient pas de l'intérieur du TN. Mais pourquoi une telle perte de masse ?

[invite06459106]

Elle est en rapport de la masse des deux tn, ça c'est pour le "pourquoi", pour le comment (avec les mains), tu as mon post#7.

[papy-alain]

Elle est en rapport de la masse des deux tn, ça c'est pour le "pourquoi", pour le comment (avec les mains), tu as mon post#7.

Oui, dans ton post n° 7 tu insistes bien sur le fait que tout se passe à l'extérieur du TN. Raison de plus pour se demander d'où vient cette perte de masse ?

[Deedee81]

D'accord que l'onde ne vient pas de l'intérieur du TN. Mais pourquoi une telle perte de masse ?

Ca aussi je l'avais expliqué. La masse d'un TN, ce n'est pas que la masse de la matière tombée dedans, c'est aussi l'énergie gravitationnelle (absolument considérable pour des TN) dont la masse vaut E/c² et pour nos deux TN danseurs de tango, l'énergie cinétique de rotation. Considérable aussi.

C'est cette masse qui est émise suite à la reconfiguration du champ gravitationnel : ici, celui avant (avec deux TN en rotation) et celui après (après fusion).

On est vraiment dans le royaume de l'équivalence masse / énergie là. Le "défaut de masse" ferait rougir d'envie le plus placide des atomes d'uranium 235

[Deedee81]

Tiens, d'ailleurs, il y a une ambiguïté pour définir la masse de deux TN en rotation. Je n'ai jamais regardé comment on modélise ça.
(ambiguïté car la masse d'un TN c'est son contenu + le champ et ici le champ est quelque peu commun aux deux TN et l'énergie gravitationnelle n'est pas localisée. Ce n'est que "vu de loin" qu'on peut définir la masse d'un TN, par exemple avec les lois de Kepler).

[papy-alain]

Tiens, d'ailleurs, il y a une ambiguïté pour définir la masse de deux TN en rotation. Je n'ai jamais regardé comment on modélise ça.
(ambiguïté car la masse d'un TN c'est son contenu + le champ et ici le champ est quelque peu commun aux deux TN et l'énergie gravitationnelle n'est pas localisée. Ce n'est que "vu de loin" qu'on peut définir la masse d'un TN, par exemple avec les lois de Kepler).

Dans le cas présent, vu l'éloignement (1.3 Gal), on n'a eu qu'une vague estimation des masses en présence (à +/- 4 Mo près pour l'un et 3 pour l'autre).
Mais si je comprends bien, la masse d'un TN est l'addition de la masse et du champ gravitationnel. C'est à dire qu'un champ gravitationnel généré par une masse quelconque est lui même considéré comme une masse ?

[mach3]

On peut simplement voir cela comme de l'énergie de liaison. Quand un proton et un électron libres se lient, l'atome d'hydrogène ainsi formé possède une masse plus faible que le proton et l'électron séparés, ce sont les 13,6eV du photon libéré dans l'opération (c'est donc peanuts devant l'énergie du système qui est de l'ordre du GeV). Ces 13,6eV c'est l'énergie potentielle électrostatique entre le proton et l'électron désormais liés.
Pour les trous noirs c'est (presque) pareil, la masse perdue, donc l'énergie rayonnee, c'est l'energie potentielle gravitationnelle qu'il y avait entre ces deux trous noirs avant qu'ils entrent en collision. Là en revanche cette énergie est du même ordre de grandeur que la masse des protagonistes.

m@ch3

[Deedee81]

Salut,

C'est à dire qu'un champ gravitationnel généré par une masse quelconque est lui même considéré comme une masse ?

Il a une énergie et donc une masse (m = E/c²) (**). Voir aussi l'explication de mach3.

Bon, j'arrive pas à trouver de page wikipedia expliquant le pseudo-tenseur énergie-impulsion du champ gravitationnel (*). Et je vais pas renvoyer à la littérature. Mais pour l'énergie gravitationnelle au moins dans l'approximation classique :
https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89...avitationnelle
(bon, mieux vaut éviter ces formules avec les TN)

C'est un pseudo-tenseur car il ne se transforme pas comme un tenseur et ceci est dû au fait que l'énergie du champ gravitationnelle est intrinsèquement non locale.
Mais dans un espace-temps imposé, par exemple plat, on sait lui donner un sens utilisable. Par exemple dans l'étude des ondes gravitationnelles justement (énergie transportée par ces ondes).

EDIT (**) Hum.... je vois l'ambiguïté de ce que je viens de dire. Il faut considérer cette formule comme s'appliquant à un système complet, lié, vu de l'extérieur. (sinon on aurait vite fait de dire que le photon a une masse ). L'explication de mach3 prend tout son sens. Comme la masse d'un atome = masse de ses constituants - énergie de liaison (essentiellement nucléaire).
L'équivalent de nos deux trous noirs est ici ne défaut de masse lors d'une fission, énergie emportée sous forme de rayons gammas par exemple.
Et ce "défaut" de masse vient de la différence dans l'énergie de liaison avant et après, pas des constituants eux-mêmes.

[papy-alain]

OK, vu comme ça c'est beaucoup plus clair.
Merci à tous et bonne journée.