Astronomie gravitationnelle

[invite94d79e09]

Bonjour,
En 2015, l'interféromètre LIGO a détecté pour la première fois une onde gravitationnelle. L'exploit a notamment été salué par un prix Nobel (l'année dernière je crois) et il y a eu un grand retentissement médiatique. Mais pourriez-vous m'indiquer exhaustivement en quoi ça révolutionne l'astronomie. C'est-à-dire, au-delà de l'exploit technique, comment cette nouvelle forme d'astronomie promet de nous offrir une vision différente de l'Univers, quelles informations exploitables portent les ondes gravitationnelles ? Quelles sont les applications les plus optimistes envisagées ?
Merci de partager votre passion, ô ambassadeurs du savoir !
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[yves95210]

Bonjour,

Voir par exemple cet article (en anglais).
Certaines des questions qu'il évoque ont d'ailleurs reçu des (débuts de) réponses depuis, grâce à la détection de nouveaux évènements par LIGO et/ou Virgo. Entre autres, à l'occasion d'un de ceux-ci, on a pu observer une corrélation entre une onde gravitationnelle et une onde électromagnétique émise lors du même évènement, et détectées quasiment au même instant - ce qui confirme que la vitesse de propagation des OG est égale à c, ou en tout cas très, très proche, et qui permet d'écarter certaines théories alternatives.
On a pu aussi tirer de ces observations une nouvelle mesure du taux d'expansion de l'univers, indépendante du modèle de cosmologie utilisé. L'incertitude sur cette mesure est encore importante, mais elle devrait s'affiner quand on disposera d'un plus grand nombre d'observations. Et son indépendance vis-à-vis du modèle permettra peut-être d'y voir plus clair au sujet du problème posé par l'écart entre le taux d'expansion calculé par la collaboration Planck à partir de l'observation du CMB et celui calculé à partir de la relation entre la luminosité et la vitesse d'éloignement des supernovas dans l'univers "récent".

PS : cette discussion aurait plutôt sa place dans le sous-forum Astronomie. Tu peux demander aux modérateur de l'y déplacer.

[Deedee81]

PS : cette discussion aurait plutôt sa place dans le sous-forum Astronomie. Tu peux demander aux modérateur de l'y déplacer.

Bonjour,

Bien vu. Comme je passe par nouveau message, ça m'avait échappé

Je l'ai déplacé.

[saint.112]

Mais pourriez-vous m'indiquer exhaustivement en quoi ça révolutionne l'astronomie. C'est-à-dire, au-delà de l'exploit technique, comment cette nouvelle forme d'astronomie promet de nous offrir une vision différente de l'Univers, quelles informations exploitables portent les ondes gravitationnelles ? Quelles sont les applications les plus optimistes envisagées ?

Cela ne donne pas une “vision différente“ mais des observations complémentaires. Cela a déjà permis de confirmer des notions théoriques comme le fait que les ondes gravitationnelles existent bien, qu’elles vont à la vitesse de la lumière, etc.
L’intérêt est que l’univers leur est totalement transparent et qu’on peut donc observer des phénomènes dans des zones opaques aux rayonnements électromagnétiques comme typiquement l’environnement des trous noirs. Il aurait été impossible de voir les fusions de trou noir détectées par Virgo et Ligo.
Nico

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Salut,

Un des résultats remarquables est l'association des sursauts gamma et de la fusion des étoiles à neutrons : elle était soupçonnée et bien étayée théoriquement mais pas confirmée.
La détection des OG venant de la fusion de deux étoiles à neutrons et l'observation en gamma, optique,.... à confirmé cette relation et donné énormément d'infos sur le phénomène.

L'astronomie multi-messager a de beaux jours devant elle

[papy-alain]

Le côté intéressant, c'est surtout que c'est la première fois, dans l'histoire de l'humanité, qu'on observe l'Univers avec autre chose que des photons. En soi, c'est une vraie révolution qui, comme le dit Deedee81, va nous apporter une foule d'informations dans plusieurs domaines.

[Deedee81]

Le côté intéressant, c'est surtout que c'est la première fois, dans l'histoire de l'humanité, qu'on observe l'Univers avec autre chose que des photons. En soi, c'est une vraie révolution qui, comme le dit Deedee81, va nous apporter une foule d'informations dans plusieurs domaines.

Tu oublies les neutrinos
(la première détection conjointe avec la vue optique d'une supernovae fut la SN 1987A)

Par contre, les observations des rayons cosmiques (essentiellement des protons, des électrons et quelques ions) ne peut constituer un outil d'observation car ils sont fortement déviés par les champs magnétiques (terrestre, solaire, galactique...)

[papy-alain]

Tu oublies les neutrinos
(la première détection conjointe avec la vue optique d'une supernovae fut la SN 1987A)

Par contre, les observations des rayons cosmiques (essentiellement des protons, des électrons et quelques ions) ne peut constituer un outil d'observation car ils sont fortement déviés par les champs magnétiques (terrestre, solaire, galactique...)

Non, je n'oublie pas les neutrinos, mais on ne peut pas dire dans ce cas qu'il s'agisse d'observation. On a juste des détecteurs qui en trouvent un ou deux par jour, et on sait juste que quelque chose se passe quand on en détecte cinq ou six en quelques minutes. Je n'appelle pas ça de l'observation. Les OG, c'est le déplacement d'une onde dans l'espace avec sa longueur d'onde, son intensité, etc. C'est quand même autre chose, non ?

[Deedee81]

Non, je n'oublie pas les neutrinos, mais on ne peut pas dire dans ce cas qu'il s'agisse d'observation. On a juste des détecteurs qui en trouvent un ou deux par jour, et on sait juste que quelque chose se passe quand on en détecte cinq ou six en quelques minutes. Je n'appelle pas ça de l'observation. Les OG, c'est le déplacement d'une onde dans l'espace avec sa longueur d'onde, son intensité, etc. C'est quand même autre chose, non ?

Moi j'appelle ça quand même des observations. Par exemple la première détection (et il y en a eut bien d'autres depuis) a quand même permis de "voir" la quantité de neutrinos émise par SN1987A, leur spectre en énergie et le décalage avec l'observation lumineuse. Et les instruments (comme Ice Cube) permettent de détecter la direction. C'est pas rien quand même.

Mais par contre, ça oui, je t'accorde que c'est beaucoup moins précis et riches en information. Mais ça n'en reste pas moins du "autre que le photon"

Et à l'époque on a déjà parlé d'astronomie multi-messager (même si le "multi" à proprement parler ne se concrétise que depuis peu, mais ça, ce n'est pas qu'une question d'OG. C'est surtout grâce aux nombres d'instruments en gamma, IR, X, optique, radio,.... et la capacité à très rapidement braquer les instruments vers quelque chose d'intéressant. Les progrès sont fantastiques à tout niveau). A l'époque c'était plus un souhait qu'un véritable état de fait.

Par contre en cosmologie, ce n'est pas encore concrétisé, mais il est fort probable que là c'est bien les OG qui offriront les premières infos sur l'univers primordiales autrement qu'avec des photons. La détection du fond cosmologique de neutrinos, faut pas rêver, c'est totalement hors de portée (enfin, bon, ce ne serait pas la première fois que je serais surpris, je n'ai pas de boule de cristal )

[Gilgamesh]

Bonjour,
En 2015, l'interféromètre LIGO a détecté pour la première fois une onde gravitationnelle. L'exploit a notamment été salué par un prix Nobel (l'année dernière je crois) et il y a eu un grand retentissement médiatique. Mais pourriez-vous m'indiquer exhaustivement en quoi ça révolutionne l'astronomie. C'est-à-dire, au-delà de l'exploit technique, comment cette nouvelle forme d'astronomie promet de nous offrir une vision différente de l'Univers, quelles informations exploitables portent les ondes gravitationnelles ? Quelles sont les applications les plus optimistes envisagées ?
Merci de partager votre passion, ô ambassadeurs du savoir !

Disons qu'à la base, chaque fois qu'on a ouvert une nouvelle fenêtre sur le cosmos, elle s'est révélée passionnante. Ça a été le cas successivement pour les rayons cosmiques, la radioastronomie, la fenêtre UV et IR, les rayons X, le rayonnement gamma, les détecteurs à neutrinos...

Pour les OG, on peut observer une classe de phénomènes, les fusions de trous noirs, qui sont complètement invisibles dans le spectre électromagnétique. Et dès la première détection, on a par exemple été surpris par la taille des protagonistes (un peu gros pour être des résidus de supernova). On peut commencer également à faire des statistiques ce qui permet de mettre des contrainte en astrophysique stellaire. Quand on a une contre-partie optique, comme pour les fusions d'étoiles à neutrons, on peut directement mesurer l'instant de la fusion et la masse des protagonistes et coupler ça avec le signal gamma court et l'observation du rémanent du visible au domaine radio (astronomie multimessager).

Le bouquet final, véritable rêve humide d'astrophysicien, ce serait l'observation d'une supernova gravitationnelle dans la Galaxie avec le signal gravitationnel qui ouvre le bal suivi du crépitement de neutrinos (par milliers !) dans les observatoires souterrains pendant quelques secondes, l'observation *anticipée* du flash initial par le pointage des satellites X vers la région du ciel désignée par les antennes gravitationnelles et l'observation au sol de la courbe de lumière en optique, IR, radio. Et peut être, si on est chanceux, l'observation radio du signal naissant d'un pulsar.

[Deedee81]

Pour les OG, on peut observer une classe de phénomènes, les fusions de trous noirs, qui sont complètement invisibles dans le spectre électromagnétique.

Pour des TN lointains (ce qui a toujours été le cas jusqu'ici, les fusions c'est quand même pas un événement banal).
Mais pour des TN "proche", est-ce qu'on n'aurait pas une contribution EM due aux clash des disques d'accrétions ?

[papy-alain]

Pour des TN lointains (ce qui a toujours été le cas jusqu'ici, les fusions c'est quand même pas un événement banal).
Mais pour des TN "proche", est-ce qu'on n'aurait pas une contribution EM due aux clash des disques d'accrétions ?

En y réfléchissant, il me paraît probable d'avoir un flash de rayons x, à condition d'avoir deux disques d'accrétion qui fusionnent, ce qui n'est pas toujours le cas (TN isolés).

[Deedee81]

ce qui n'est pas toujours le cas (TN isolés).

Exact. Et amha on ignore s'ils le sont ou pas (isolés, ceux détectés).

Et pour le flash, évidemment, quand c'est pas trop loin (car à plus d'un milliards d'AL, doit plus rester grand chose à voir. C'est assez paradoxal qu'on ait eut tant de mal à détecter les OG et que maintenant qu'on sait le faire on peut voir des trucs qui sont trop loin pour les composantes EM éventuelles )

[invite94d79e09]

Wow merci je vois que ça intéresse du monde !
Si je résume : grâce à cette détection on donne déjà raison à Einstein et on confirme directement l'existence des trous noirs. On peut observer ceux-ci directement et mieux les comprendre. Idem avec les étoiles à neutron. C'est grâce aux ondes gravitationnelles qu'on a su que deux étoiles à neutron fusionnaient et qu'on a pu pointer les télescopes sur cette fusion (astronomie multi-messager). Ça a permis de comprendre la formation des éléments lourds. Enfin, grâce à l'amplitude des OG, on détermine la distance de la galaxie où à eu lieu l'évènement, et si j'ai bien compris si on s'appuie sur le redshift Doppler on parvient à estimer une vitesse pour une distance, donc le taux d'expansion (constante de Hubble ?)
Est-ce que des coalescences de trous noirs et d'étoiles à neutron sont les seules évènements qu'on a pu observer ?

[invite554578cf]

Wow merci je vois que ça intéresse du monde !
Si je résume : grâce à cette détection on donne déjà raison à Einstein et on confirme directement l'existence des trous noirs. On peut observer ceux-ci directement et mieux les comprendre. Idem avec les étoiles à neutron. C'est grâce aux ondes gravitationnelles qu'on a su que deux étoiles à neutron fusionnaient et qu'on a pu pointer les télescopes sur cette fusion (astronomie multi-messager). Ça a permis de comprendre la formation des éléments lourds. Enfin, grâce à l'amplitude des OG, on détermine la distance de la galaxie où à eu lieu l'évènement, et si j'ai bien compris si on s'appuie sur le redshift Doppler on parvient à estimer une vitesse pour une distance, donc le taux d'expansion (constante de Hubble ?)
Est-ce que des coalescences de trous noirs et d'étoiles à neutron sont les seules évènements qu'on a pu observer ?

Je crois que c'est un très bon résumé. A ma connaissance il n'y a pas d'autres types de fusion observée en OG, je crois avoir entendu dire que par exemples pour les fusions de naines blanches on était très loin de la sensibilité requise.

[Gilgamesh]

Pour des TN lointains (ce qui a toujours été le cas jusqu'ici, les fusions c'est quand même pas un événement banal).
Mais pour des TN "proche", est-ce qu'on n'aurait pas une contribution EM due aux clash des disques d'accrétions ?

Mmmh, avec 2 trous noirs issus d'un système binaires, si les deux protagonistes sont transformés en trous noirs, il ne doit plus rester grand chose pour alimenter les disques (à moins d'être dans un environnement stellaire vraiment très dense, comme au centre d'un amas globulaire). Et même ainsi, il ne me semble pas que ça fasse beaucoup d'étincelles. Et si c'est le cas, ça devrait avoir lieu quand les disques s’interpénètrent, bien avant la fusion des trous noirs eux même.

[Gilgamesh]

Est-ce que des coalescences de trous noirs et d'étoiles à neutron sont les seules évènements qu'on a pu observer ?

Oui, et dans cette gamme de fréquence (qq kHz) le seul autre candidat pour fournir un signal détectable est l'effondrement du cœur d'étoiles massives à l'origine des supernovae gravitationnelles.

[invite6486d7bd]

Le bouquet final, véritable rêve humide d'astrophysicien, ce serait l'observation d'une supernova gravitationnelle dans la Galaxie avec le signal gravitationnel qui ouvre le bal suivi du crépitement de neutrinos (par milliers !) dans les observatoires souterrains pendant quelques secondes, l'observation *anticipée* du flash initial par le pointage des satellites X vers la région du ciel désignée par les antennes gravitationnelles et l'observation au sol de la courbe de lumière en optique, IR, radio. Et peut être, si on est chanceux, l'observation radio du signal naissant d'un pulsar.

je ne sais pas où ça en est pour le moment, mais Juan Collar a finalement mis au point un appareillage de détection de neutrino compact (pour des neutrinos de basse énergie).
Voir ici :

Une nouvelle méthode de détection des neutrinos de basse énergie ouvre la voie à des détecteurs miniatures et des avancées importantes.

Les experts sont enthousiastes à propos des résultats de l'expérience COHERENT. Janet Conrad, professeure de physique à l’institut de technologie du Massachusetts, explique qu’elle est « très satisfaite ». Jim Napolitano parle d’un article « très important » et d’un « énorme accomplissement ». De plus, aucune critique technique ne semble avoir été émise sur l’expérience. Avec une démonstration si convaincante de la diffusion élastique cohérente entre neutrinos et noyaux, les scientifiques peuvent maintenant s'attacher à comprendre comment l’utiliser.
La plus grande application est de mettre au point ce que Juan Collar appelle un « détecteur de neutrinos portable ». La miniaturisation sera en effet un grand pas en avant dans ce domaine. Janet Conrad note que son dispositif précédent était qualifié de « mini », alors qu’il mesurait plus de 12 mètres de hauteur. Néanmoins, les détecteurs géants seront toujours nécessaires pour étudier certaines propriétés des neutrinos qui ne peuvent pas être mesurées avec CEvNS.

https://www.pourlascience.fr/sd/phys...inos-12689.php

[Deedee81]

Salut,

Mmmh, si on 2 trous noirs issus d'un système binaires, si les deux protagonistes sont transformés en trous noirs, il ne doit plus rester grand chose pour alimenter les disques (à moins d'être dans un environnement stellaire vraiment très dense, comme au centre d'un amas globulaire). Et même ainsi, il ne me semble pas que ça fasse beaucoup d'étincelles. Et si c'est le cas, ça devrait avoir lieu quand les disques s’interpénètrent, bien avant la fusion des trous noirs eux même.

Oui, ça me parait tout à fait normal.

En plus, ça doit être sacrément difficile à simuler numériquement.

[invite94d79e09]

J'ai vu qu'ils ont annoncé dans la semaine 4 autres signaux détectés ! Ça fait 11 avec les étoiles à neutron. Mais un signal présente un trou noir énorme (le plus gros détecté) qui fusionné avec un autre beaucoup plus petit. Je me suis renseigné et j'ai compris comment la fréquence initiale et la durée du signal sont liées pour déterminer la masse totale du système. Mais comment est-ce qu'on arrive à dire que un des trous noirs avait une masse de tant alors que l'autre était plus petit de tant ? En théorie, selon les modèles, si la masse totale du système ne change pas, le signal est identique non ?

[Deedee81]

Salut,

En théorie, selon les modèles, si la masse totale du système ne change pas, le signal est identique non ?

Je n'en jurerais pas vu que les équations de la relativité générale sont hautement non linéaires.
Et d'ailleurs, même sans aller aussi loin : une balle de ping pong qui heurte la Terre, j'imagine que ça a quand même moins d'effets que deux demi-Terre qui se percutent !!!!
Ou pour le dire autrement : une balle de ping pong en orbite autour d'une étoile à neutrons, en chute en spirale avec émission d'OG, ça doit être peau de chagrin, indétectable, alors que deux pulsars de moitié la masse, ça émet pas mal d'OG (c'est comme ça qu'on a confirmé l'existence des OG d'ailleurs).

Pour répondre à ta question pour savoir quelles sont les masses en pratique ils font ceci :
- simulation numériques de la coalescence d'objets de masses variées, paramètres d'impacts variés et moments angulaires variés (ça fait beaucoup de simu ) => calcul du signal qu'on devrait détecter (pour la distance, ça, c'est pas difficile au moins, ça diminue en r², sans plus).
Et ça nécessite des super-calculateurs (à la main, faut pas rêver, même pour des cas simples comme la fusion frontale de deux TN de Schwarzschild. Equations insolubles à la main).
- comparaison des signaux détectés avec ce qui avait été calculé et hop, résultat

Bon, ça fait un peu yaka car je sais qu'il y a d'énormes difficultés expérimentales avec des tas de bruits à nettoyer dans les signaux reçus. Les données brutes sont virtuellement inexploitables sans ce très gros travail de filtrage/nettoyage/corrections avant de confronter aux modèles/simulations. Chaque détections c'est un sacré paquets d'heures de travail aussi bien pour les scientifiques que pour les super-calculateurs.

L'astronomie gravitationnelle c'est comme LHC : Big Data and Big Science. Mais je rassure, il y a encore de la place pour les petits labos (même beaucoup, l'astrophysique et le LHC ce n'est qu'une fraction de la recherche).