Détection récente d'ondes gravitationnelles de basse fréquence

[city_hunter]

Bonsoir,

Les équipes du NANOGrav ont récemment annoncé avoir détecté le passage d'une onde gravitationnelle de basse fréquence.

Le procédé est un peu fastidieux à expliquer mais en résumé ils ont observé les perturbations des rotations de plusieurs dizaines de pulsars pour en identifier une commune à tous , et qui serait donc causé dans le cas présent par une onde gravitationnelle de basse fréquence.

Cette nouvelle me pose deux colles, auxquelles les spécialistes de ce forum sauront peut etre répondre

1/ Comment les astronomes peuvent ils déterminer qu'il s'agit d'un seul et même évènement ? Logiquement, l'onde a du atteindre chaque pulsar à des moments différents, puisqu'ils ne sont certainement pas équidistants de la source de l'onde. En l'occurence, les articles parlent de pulsars situés dans un rayon de plusieurs milliers d'années lumière de la Terre, donc la différence de temps entre le premier pulsar affecté par l'onde et le dernier se compte normalement en millénaires. Dès lors comment a t'on pu détecter le passage de cette onde sur les pulsars observés ?

2/Comme l'onde gravitationnelle se déplace à la vitesse de la lumière, ça induit une conséquence assez étonnante: notre horizon cosmologique est aussi un horizon de la gravité (dsl pour ceux pour qui c'était évident, moi je le découvre). Ce qui signifie que toute changement de l'espace temps engendrée par une masse située au delà de cet horizon ne peut parvenir jusqu'à nous.
De là une question me trouble beaucoup. Que se passe-t-il par exemple si une galaxie, emmenée par l'expansion, dépasse notre horizon gravitationnel?
Pour nous Terriens, c'est comme si elle n'existait plus, puisqu'elle ne peut plus interagir ni influencer d'aucune manière le destin de la Terre

Maintenant imaginons un objet massif situé entre cette galaxie et la Terre. L'objet continue à être influencé par la galaxie, qui est encore dans le périmètre de son horizon, et il influence aussi la Terre, qui est dans l'horizon de l'objet. Autrement dit, la galaxie continue ra à nous influencer indirectement, puisqu'elle influence un objet qui nous influence...

Est ce que c'est à cause de ce phénomène qu'on pense pouvoir détecter dans le futur des objets au delà du CMB ?

Merci pour vos retours éclairés
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[mach3]

Pour la 2e partie, on est sous l'influence gravitationnelle de ce qu'on voit (au sens que la lumière peut nous en parvenir). Ce que l'on voit est passé, donc les influences sont celle des objets à leurs positions passées et non actuelles (une position actuelle étant par ailleurs arbitraire...), et comme il n'y a pas que la position qui compte mais aussi le mouvement passé, cela donne l'impression d'une influence immédiate de l'objet en sa position actuelle dans les cas simples (d'où la loi de Newton qui ne prend en compte que la position actuelle des astres).
Si on voit une galaxie, alors elle a une influence gravitationnelle sur nous. Cette galaxie pourrait très bien passer l'horizon cosmologique, tout comme un astre peut passer l'horizon d'un trou noir, mais dans les deux cas il s'agit de positions actuelles. On ne verra jamais la galaxie passer l'horizon cosmologique, ni l'astre passer l'horizon du trou noir, par la définition même de ces horizons. On les verra ralentir, être de plus en plus redshiftés, éventuellement même on n'en recevra plus la lumière FAPP (la lumière étant une émission de photons discontinue, il existe un "dernier photon" détectable et après plus rien), mais ils auront toujours une position passée hors de ces horizons et donc une influence gravitationnelle.

m@ch3

[Lansberg]

Bonsoir,

1/ Comment les astronomes peuvent ils déterminer qu'il s'agit d'un seul et même évènement ? Logiquement, l'onde a du atteindre chaque pulsar à des moments différents, puisqu'ils ne sont certainement pas équidistants de la source de l'onde. En l'occurence, les articles parlent de pulsars situés dans un rayon de plusieurs milliers d'années lumière de la Terre, donc la différence de temps entre le premier pulsar affecté par l'onde et le dernier se compte normalement en millénaires. Dès lors comment a t'on pu détecter le passage de cette onde sur les pulsars observés ?

Il ne s'agit pas "d'un événement" mais d'un signal permanent, un bruit de fond d'ondes gravitationnelles de très très basses fréquences (nHz à µHz) plus exactement, qui est détecté. C'est un peu comme le fond diffus cosmologique (électromagnétique) qui baigne l'ensemble de l'univers quelle que soit la direction.
Ce qui est recherché c'est donc cette perturbation qui est commune à tous les pulsars étudiés.

2/Comme l'onde gravitationnelle se déplace à la vitesse de la lumière, ça induit une conséquence assez étonnante: notre horizon cosmologique est aussi un horizon de la gravité (dsl pour ceux pour qui c'était évident, moi je le découvre). Ce qui signifie que toute changement de l'espace temps engendrée par une masse située au delà de cet horizon ne peut parvenir jusqu'à nous.

S'il se développe une cosmologie des ondes gravitationnelles rien n'empêche de définir un horizon cosmologique d'ondes gravitationnelles qui se superposerait à l'horizon des particules, à supposer qu'il existe des ondes gravitationnelles émises dès le bigbang. Je ne vois pas ce que ça apporte de plus.

De là une question me trouble beaucoup. Que se passe-t-il par exemple si une galaxie, emmenée par l'expansion, dépasse notre horizon gravitationnel?

Mauvaise représentation de l'expansion !
À partir du moment où une galaxie entre dans notre horizon cosmologique (oublions cette histoire de "gravitationnel"), elle y reste jusqu'à l'infini des temps.

Est ce que c'est à cause de ce phénomène qu'on pense pouvoir détecter dans le futur des objets au delà du CMB ?
Merci pour vos retours éclairés

Le CMB (qu'on confond avec l'horizon cosmologique) correspond à une époque précise de l'histoire de l'univers (380000 ans après le bigbang). Les conditions physiques de l'univers avant cette époque font qu'il est opaque à la lumière. Elle ne peut voyager que sur de très courtes distances. Il est donc impossible de "voir" l'univers dans son jeune âge.
Les neutrinos primordiaux et les ondes gravitationnelles pourraient apporter des informations "directes" sur cette époque.

[Nicophil]

Bonjour,

1/ Dès lors comment a t'on pu détecter le passage de cette onde sur les pulsars observés ?

Soit les pulsars sont tous réellement perturbés en même temps, soit c'est seulement une illusion et c'est nous qui subissons le passage de l'onde !

[A voir en vidéo sur Futura]

[city_hunter]

Merci pour cette réponse intéressante Mach
A-t-on malgré celà une idée de la position actuelle des étoiles, galaxies et autres objets au delà de notre système solaire ?

[city_hunter]

Bonsoir

Mauvaise représentation de l'expansion !
À partir du moment où une galaxie entre dans notre horizon cosmologique (oublions cette histoire de "gravitationnel"), elle y reste jusqu'à l'infini des temps.

Je ne comprends pas ce point. Peux tu développer stp?

[Deedee81]

Salut,

A-t-on malgré celà une idée de la position actuelle des étoiles, galaxies et autres objets au delà de notre système solaire ?

Oui, quand même ! On a de très bonnes cartographies. Il y a les études dites en ciel profond ou à grand angle qui font des cartographies précises des galaxies.
https://www.maxisciences.com/univers..._art29865.html

Et pour les étoiles dans notre galaxie, Gaïa a déjà fournit des milliards d'octets d'informations.
https://lejournal.cnrs.fr/articles/g...eau-est-arrive

[Archi3]

Bonsoir,



Il ne s'agit pas "d'un événement" mais d'un signal permanent, un bruit de fond d'ondes gravitationnelles de très très basses fréquences (nHz à µHz) plus exactement, qui est détecté. C'est un peu comme le fond diffus cosmologique (électromagnétique) qui baigne l'ensemble de l'univers quelle que soit la direction.
Ce qui est recherché c'est donc cette perturbation qui est commune à tous les pulsars étudiés.

on pourrait plutot comparer ça à la turbulence atmosphérique qui bouge en permanence, alors que le CMB est vu "fixe" (c'est bien aussi une turbulence mais à des échelles de temps bien plus grandes qu'on ne peut pas voir bouger). Le phénomène est analogue à la scintillation des étoiles qui est due à la variation aléatoire de l'indice de réfraction, qui provoque une perturbation aléatoire de l'intensité et de la position apparente des étoiles. Ce changement de l'indice de réfraction change aussi le temps de voyage des photons, mais bon pour les étoiles on n'a pas de méthode de timing précise qui permette de déceler cette fluctuation temporelle, alors que pour les pulsars on en a une car leur fréquence est très stable. Ce sont les variations aléatoires du temps d'arrivée des pulses qui permet de mettre en évidence cette "turbulence' d'OG (variation très faible bien sur et demandant de nombreuses années d'études pour la mettre en évidence statistiquement).

[Lansberg]

Bonjour,

Je ne comprends pas ce point. Peux tu développer stp?

Dans ton premier message, tu évoques le CMB. C'est l'image la plus ancienne de l'univers qu'on puisse observer et qui remonte à près de 13,8 milliards d'années (380000 ans après le bigbang). C'est en quelque sorte la limite de l'univers observable lorsque celui-ci n'était qu'un "plasma" chaud à 3000 K mais qui est détecté aujourd'hui dans le domaine des micro-ondes parce qu'il s'est considérablement refroidi avec l'expansion (2,7K). Ceci dit, les régions qu'on voit aujourd'hui sous la forme du CMB ont évolué en 13,8 milliards d'années pour donner des galaxies et amas de galaxies, qu'on ne voit pas encore. Dit d'une autre manière, une galaxie entre dans notre univers observable sous forme du CMB, donc de la matière qui va lui donner naissance. Mais il faudrait vivre des centaines de millions d'années pour voir la lente transformation de la région concernée du CMB en galaxie(s).
Et pendant ce temps d'autres régions plus éloignées entreront dans notre univers observable sous forme du CMB ressemblant globalement à celui d'aujourd'hui parce que c'est l'image de l'univers 380 000 ans après le bigbang ...
Du coup quand on observe actuellement une galaxie lointaine bien formée, cela signifie qu'elle est forcément entrée dans notre horizon cosmologique depuis longtemps ; qu'on la voit telle qu'elle était à une date plus récente que 13,8 milliards d'années (cela dépend du temps mis par la lumière pour nous parvenir) et que si nous vivions des milliards d'années, nous pourrions en suivre l'évolution. Elle ne sortira pas de notre horizon.
L'effet de l'expansion fait que la lumière en provenance des galaxies lointaines se décalera de plus en plus vers le rouge jusqu'à les rendre indétectables comme l'explique mach3.

[city_hunter]

Oui, quand même ! On a de très bonnes cartographies. Il y a les études dites en ciel profond ou à grand angle qui font des cartographies précises des galaxies.

Ok, comment sait -on si certaines étoiles ne sont pas mortes entre temps?
Faute d'observations possibles sur les positions actuelles, c'est forcément une simulation à partir de leurs positions anciennes observables j'imagine?

[city_hunter]

Merci pour ces précisions Archi

[Archi3]

Ok, comment sait -on si certaines étoiles ne sont pas mortes entre temps?
Faute d'observations possibles sur les positions actuelles, c'est forcément une simulation à partir de leurs positions anciennes observables j'imagine?

on n'en sait rien du tout avec certitude, bon on a quand même des modèles d'évolution qui permettent d'évaluer l'âge des étoiles et leur futur avec plus ou moins de précision. Mais on voit les étoiles avec le retard mis par la lumière pour venir : pour la galaxie, ça se compte en milliers d'années, mais les étoiles ne bougent pas énormément pendant cette durée (le Soleil met 250 millions d'années pour faire le tour de la Galaxie), et on peut retracer leur position en mesurant leur vitesse.

[city_hunter]

Bonjour,
Dit d'une autre manière, une galaxie entre dans notre univers observable sous forme du CMB, donc de la matière qui va lui donner naissance. Mais il faudrait vivre des centaines de millions d'années pour voir la lente transformation de la région concernée du CMB en galaxie(s).

Merci pour l'explication
Je comprends l'idée que la sphere de notre univers observable grandisse avec les temps, à mesure que la lumière d'autres région de l'univers nous parvient, et qu'ensuite ces meme régions remplies de matière primitive vont donner naissance à des galaxies.

Par contre, je n'arrive pas à saisir pourquoi une galaxie ou une région de l'espace ne pourrait pas sortir de notre univers observable, au moins théoriquement. Passée une certaine distance, la vitesse de fuite due à l'expansion doit dépasser la vitesse de la lumière par rapport à nous, donc tout ce qui est situé à cette distance critique et au delà devrait disparaitre à nos yeux ?
J'essaye de situer mentalement la taille de notre sphère de hubble par rapport à la taille de notre sphère d'univers observable.
Si il y a bien une accélération de l'expansion, ca implique que notre sphère de Hubble se rétrécit au fil du temps ?
A terme, des objets qui nous ont encore visibles devraient finir par nous fuir plus vite que la vitesse de la lumière et sortir de notre sphere de hubble ?

Bon le problème c'est qu'en poussant cette logique jusqu'au bout l'univers devrait "s'éteindre" progressivement à nos yeux et ne nous laisser à voir que la lumière d'objets de plus en plus jeunes, proches, et de moins en moins nombreux

[Lansberg]

Bonjour,

Par contre, je n'arrive pas à saisir pourquoi une galaxie ou une région de l'espace ne pourrait pas sortir de notre univers observable, au moins théoriquement. Passée une certaine distance, la vitesse de fuite due à l'expansion doit dépasser la vitesse de la lumière par rapport à nous, donc tout ce qui est situé à cette distance critique et au delà devrait disparaitre à nos yeux ?

C'est une des notions les moins intuitives qu'il faut essayer de comprendre.
La plupart des galaxies observables nous fuient et nous ont toujours fui avec une vitesse de récession supérieure à la vitesse de la lumière !! Ce qui fait que nous pouvons les voir, c'est que depuis le bigbang le taux d'expansion de l'univers qui s'exprime par le paramètre de Hubble, H, en km/s/Mpc n'a cessé de diminuer et qu'il continuera à le faire pendant encore longtemps. La lumière en provenance d'une galaxie lointaine va donc au cours de son voyage vers nous, se propager dans un espace dont l'expansion "se calme" progressivement et finit par nous atteindre au bout d'une durée plus ou moins longue.
Pour donner un exemple, en reprenant le CMB : ces régions de l'espace qui forment une sphère autour de nous et limitent "l'univers observable" étaient situées à 41 millions d'années lumière au moment de l'émission de la lumière que nous recevons actuellement, près de 13,8 milliards d'années plus tard. Elles nous fuyaient avec une vitesse de récession de l'ordre de 60.c. Ces régions ont évolué pour donner des galaxies et amas de galaxies qui sont maintenant situées à environ 46 milliards d'années lumière avec une dvitesse de récession de l'ordre de 3,3.c. Elles n'ont donc jamais cessé de nous fuir avec des vitesses de récession supérieure à c, mais ça n'a pas empêché pas leur lumière de nous parvenir.

J'essaye de situer mentalement la taille de notre sphère de hubble par rapport à la taille de notre sphère d'univers observable.

C'est un élément important de la compréhension du problème. Au cours du temps, la sphère de Hubble grandit parce que H diminue. La lumière en provenance de régions qui nous fuient avec une vitesse de récession supérieure à c, finit par nous atteindre à partir du moment où elle franchit la limite de cette sphère parce qu'elle entre dans la région de l'espace où les vitesses de récession sont inférieures à c.
À une époque donnée, le rayon de la sphère de Hubble, Rs, se calcule simplement par Rs = c/H(t).
Pour l'époque actuelle, H(t)= Ho ~70 km/s/Mpc, Rs est d'environ 13 milliards d'années lumière. Les galaxies situées au-delà de cette distance nous fuient actuellement avec une vitesse de récession supérieure à c.

Si il y a bien une accélération de l'expansion, ca implique que notre sphère de Hubble se rétrécit au fil du temps ?
A terme, des objets qui nous ont encore visibles devraient finir par nous fuir plus vite que la vitesse de la lumière et sortir de notre sphere de hubble ?

L'expansion de l'univers depuis environ 6 milliards d'années est dominée par "l'énergie noire" modélisée par la constante cosmologique (la fameuse Lambda). Contrairement à ce qu'on pensait il y a plus de 25 ans, le paramètre de Hubble, H, ne tendra pas vers 0, mais à cause de la contribution de l'énergie noire dominant l'univers, tendra vers une constante de l'ordre de H ~ 56km/s/Mpc entrainant une expansion exponentielle de l'univers. La limite de la sphère de Hubble va ainsi tendre vers Rs = c/56 ~ 5400 Mpc ~16,5 milliards d'années lumière. Elle se rapprochera de ce qu'on appelle l'horizon des événements c'est à dire la limite au-delà de laquelle, la lumière partant "actuellement' d'une galaxie ne nous parviendra jamais (donc proche de 17 milliards d'années lumière).

Bon le problème c'est qu'en poussant cette logique jusqu'au bout l'univers devrait "s'éteindre" progressivement à nos yeux et ne nous laisser à voir que la lumière d'objets de plus en plus jeunes, proches, et de moins en moins nombreux

Oui, c'est ce qui peut être l'avenir (très lointain) de l'univers dans le modèle actuel.

[city_hunter]

Bonjour,

D'abord , merci pour cette super réponse très développée
Meme si ça bouleverse complètement ce que je croyais comprendre de l'expansion, ça répond à énormément de questions que je me posais sur le sujet, autant que ça m'en pose de nouvelles.

Le sujet est fascinant mais pour l'instant je n'arrive pas du tout à mettre en ordre et assembler ces nouvelles notions dans une vision cohérente
Je vais devoir méditer ta réponse un moment pour essayer d'en comprendre les implications.