Ondes gravitationnelles

[melbo]

Bonjour,
Je dois faire une présentation pour l'école et je parle de l'espace-temps. L'autre jour en regardant le 20minute j'ai vu qu'ils avaient poster un article sur la preuves des ondes gravitationnel. Ducoup je pense que d'ajouter un peu d'actualité à ma présentation peut être sympa.
Mais je ne comprends pas j'ai vu plein d'article différent avec plein de date différent sur la détection de ces ondes.
Il y en a-t-il bien eu 3 (janvier 2016, décembre 2016 et 1er juin) ? Et proviennent-elles les trois de la fusion des deux trous noirs?
Avaient vous un/des site(s) fiable(s) ou je peux me renseigner sur la théorie sur les ondes gravitationnels d'Einstein et l'espace-temps en général?
Merci d'avance!
melbo
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[melbo]

Et pourquoi pourquoi il détectent plusieurs ondes, alors qu'avant rien?

[Deedee81]

Bonjour,

Pour répondre :
- oui, il s'agit bien de trois fusions de paires trous noirs
- déjà dans les actus tu as des infos :
http://forums.futura-sciences.com/co...e-luminet.html
http://forums.futura-sciences.com/co...ous-noirs.html
http://forums.futura-sciences.com/co...-a-chasse.html
http://forums.futura-sciences.com/co...a-nouveau.html
http://forums.futura-sciences.com/co...-continue.html
http://forums.futura-sciences.com/co...ctee-ligo.html
- le sujet est la relativité générale, le sujet est difficile. Mais on trouve pleins d'articles sur internet.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Introd...%A9n%C3%A9rale
Plus simple :
https://fr.vikidia.org/wiki/Relativi...%A9n%C3%A9rale
Je conseille aussi de commencer par la relativité restreinte (dont la RG est une généralisation plus une grosse louche de gravitation)

La détection récente vient du fait que les ondes gravitationnelles sont très difficiles à détecter.
Non seulement leur intensité est généralement très faible mais en plus elles interagissent très peu avec la matière (*).
Les O.G. détectées déplacent la matière d'une distance inférieure au diamètre d'un proton !!!!!
Il a fallu des détecteurs ultrasophistiqués comme Ligo : https://fr.wikipedia.org/wiki/Laser_...ve_Observatory
Ce n'est que récemment, après des améliorations, que sa sensibilité est devenue suffisante.
On attend impatiemment la même amélioration sur Virgo. Avec trois détecteurs (Ligo il y en a deux) on aura une bien meilleure précision dans la mesure de la direction d'où viennent les O.G.

(*) ceci est dû à une caractéristique un peu technique des O.G. (ce sont des ondes quadrupolaires) mais aussi à la faiblesse de la gravité.
Imagine : met une petite pièce en fer sur le sol. Soulève la pièce avec un aimant : ton petit aimant qui tiens dans ta main est plus fort que la planète entière qui attire la pièce par sa gravité !!!!!

[mach3]

ici : http://www.futura-sciences.com/scien...ee-ligo-67503/
http://www.futura-sciences.com/scien...s-noirs-63170/
http://www.futura-sciences.com/scien...nouveau-61597/

3 phénomènes enregistrés, 14/09/2015, 26/12/2015 et 04/01/2017 (ne pas confondre les dates auxquelles les phénomènes ont été enregistré et les dates où ils ont été publiés). Tous sont interprétés comme des fusions de trous noirs. Ces détections font suite à l'amélioration du détecteur.

m@ch3

[A voir en vidéo sur Futura]

[moijdikssékool]

la sensibilité des détecteurs (avant qu'ils soient améliorés) avait-elle été calibrée par les calculs (prévision des OG par la RG)? On s'était gouré d'un facteur combien?

[melbo]

merci pour ces réponse c'est plus clair maintenant.

[Deedee81]

Salut,

On s'était gouré d'un facteur combien?

Il n'y avait pas d'erreur. Les ingénieurs ont juste fait de leur mieux, avec les moyens du moment et en espérant un phénomène assez violent et assez proche pour être détecté.
On savait qu'on était à la limite de détection.
N'ayant rien trouvé (pas de chance) en plusieurs années d'observation, des études furent lancées et budgétées pour augmenter fortement la sensibilité.
Ce qui a payé.

Une telle amélioration ne s'est pas faite à la légère : 200 millions de dollars pour quadrupler la sensibilité. Ce qui explique qu'ils ont attendu pour voir si la sensibilité initiale n'était pas suffisante avant de s'engager dans une telle amélioration.

[moijdikssékool]

N'ayant rien trouvé (pas de chance) en plusieurs années d'observation

ok, on visait des fusions de trous noirs de l'ordre de la centaine de masses solaires? Et la taille minimum des trous noirs est de combien maintenant, 4fois plus petits (de l'ordre de quelques dizaines de masses solaires)? L'article dit que l'on peut toujours expliquer la matière noire avec les trous noirs. Pourtant quelques détection par an sur un rayon de plusieurs années lumière, ça fait pas lourd sur la balance? On peut rapprocher cette statistique avec la fusion des étoiles (probabilité d'apparition par rapport à la masse?

[Gilgamesh]

Les ondes gravitationnelles (OG) sont une des prédictions majeures de la théorie de la relativité générale (RG). De même qu'en électromagnétique une charge accélérée émet une onde du même tonneau (lumière, onde radio, etc), en RG une charge au sens de la gravité (=une masse), accélérée émet des ondes gravitationnelles. Seulement, là où un simple clou branché à un circuit électronique bon marché permet de capter une onde radio, la détection des ondes gravitationnelles constitue un monstrueux défi technique. L'onde gravitationnelle se traduit par une modification transitoire de la géométrie de l'espace temps au passage de l'onde. Lorsque vous bougez les bras, vous accélérez une masse et émettez des OG, mais la "luminosité gravitationnelle" de l'événement est infime. On peut résumer le problème de leur détection en disant que l'espace est extrêmement rigide et qu'il faut des événements extraordinairement violents pour "secouer le tapis" assez pour espérer une détection.

La luminosité gravitationnelle L se calcule comme :

L = G/c⁵ s²ω⁶M²R⁴

avec
s le facteur d’asymétrie du système. Un corps avec une symétrie de révolution parfaite même accéléré par une rotation extrême n'émet pas d'OG. Il faut un "balourd" dans le système pour donner lieu à une émission.

ω la pulsation du système : plus la période orbitale du système est courte, plus l'émission sera intense. L'exposant 6 implique que ce facteur joue fortement, et qu'on ne peut espérer détecter que des systèmes binaires très proche l'un de l'autre, sur le point de fusionner,

M la masse du système. Sans surprise un système plus massif sera plus fort émetteur

R le rayon caractéristique de la source

Et enfin... le facteur G/c⁵ ~ 10^-53
avec :
G la cte de gravité
c la vitesse de la lumière

dont l'insigne petitesse résume à elle seule toute la difficulté de l'entreprise.

Si on fait la synthèse de tout ces facteurs, on cherche donc typiquement les systèmes les plus massifs possible présentant une forte asymétrie et en rotation rapide cad : des systèmes binaires d'astres compacts (étoiles à neutron ou trou noir) sur le point de fusionner, à des vitesses relativistes. Une autre source possible est constitué par les explosions de supernovas, au cours desquelles un cœur stellaire s'effondre pour former une étoile à neutrons ou un trou noir.

De tels événements sont rares, et il faut donc surveiller un grand volume, riches en étoiles, pour espérer en détecter plus d'un par an. Typiquement, les antennes gravitationnelle installées surveillent une sphère de rayon ~50 Mpc, ce qui correspond au superamas de la Vierge (soit environ 2000 galaxies ~ 10¹⁵ étoiles).

L'amplitude de l'onde se propageant dans l'espace est notée usuellement h. C'est un nombre sans dimension, quantifiant l'importance relative de la compression ou de l'étirement au passage de l'onde. Pour des événements astrophysiquement réalistes, h ~ 10^-20 (max!) ce qui est incroyablement faible. Imaginez que vous surveilliez une barre qui aille de Dunkerque à Marseille (1000 km) : il faut pouvoir détecter des variations periodiques et transitoires (durant quelques dizaines de ms) de la taille de cette barre de l'ordre du diamètre d'un noyau d'atome...

Voilà donc l'exploit à accomplir.

Pour relever le gant, les expérimentateurs ont mis au point des interféromètres géants. Ça se présente sous la forme de deux cavités optiques (dites cavités Fabry-Perot) de plusieurs kilomètres de long et disposées en angle droit, sous ultravide, avec des miroirs hyper réfléchissants à chaque bout, dans lesquelles on va faire faire des aller-retour (une cinquantaine) à un faisceau laser d'une dizaine de Watts ultra-stable en fréquence, en puissance et en pointé, divisé en deux par un miroir semi réflechissant. Un bras de 3 km dans lequel ont fait faire 50 aller retour au faisceau équivaut à disposer d'un détecteur de 150 km de longueur, d'où l'importance de la qualité des miroirs. Les miroirs sont eux même isolés au micro-poil de toutes perturbations sismiques (tout est "hyper" ou "ultra" dans l'expérience). En gros c'est le détecteur de variation de distances le plus incroyablement précis qui se puisse concevoir.

Les deux bras ont rigoureusement la même longueur et les deux faisceaux laser qu'on recombine après leurs aller-retour s'annulent exactement (interférences destructives). Au passage de l'OG, la longueur de chaque bras de l'interféromètre va varier à son tour de qq fractions de diamètres atomiques avec une certaine fréquence, et la différence de chemin optique va décaler la phase des deux faisceaux recombinés. C'est ça qui va être traduit en détection.

Comme on est vraiment à la limite de ce qui est détectable, et que les sources de bruits de manquent pas, un signal perçu sur un seul interféromètre ne compte pas. Pour valider une détection, il faut que deux interféromètres distants de plusieurs milliers de km détectent le même signal (en amplitude et fréquence). La différence de temps d'arrivée du signal (qui voyage à la vitesse de la lumière) sur les deux détecteurs permet en outre de se faire une idée de la position de la source sur la voûte céleste.

Ensuite l'enveloppe du signal périodique est comparée avec les simulations d'émission d'OG par des systèmes binaires coalescents, pour voir si c'est raccord avec la théorie. Deux trous noirs qui fusionnent émettent un train d'onde de forme caractéristique, qu'on appelle les modes quasi normaux. On a d'abord un signal dont la fréquence augmente (correspondant au fait que les deux astres spiralent l'un vers l'autre avec une période orbitale de plus en plus courte), puis la fusion proprement dite, le plongeon, qui envoie un gros train d'ondes de forme encore mal connue, puis le "ringdown" correspondant à l'oscillation du trou noir nouvellement formé qui corrige l'écart à la symétrie de son horizon en émettant des OG

Un PDF du CNRS sur les détecteurs : Virgo et la quête des ondes gravitationnelles


(source schema)