A NNALES DE L ’I. H. P., SECTION A
A. P APAPETROU
Vibrations élastiques excitées par une onde gravitationnelle
Annales de l’I. H. P., section A, tome 16, n
o1 (1972), p. 63-78
<http://www.numdam.org/item?id=AIHPA_1972__16_1_63_0>
© Gauthier-Villars, 1972, tous droits réservés.
L’accès aux archives de la revue « Annales de l’I. H. P., section A » implique l’accord avec les conditions générales d’utilisation (http://www.numdam.
org/conditions). Toute utilisation commerciale ou impression systématique est constitutive d’une infraction pénale. Toute copie ou impression de ce fichier doit contenir la présente mention de copyright.
Article numérisé dans le cadre du programme Numérisation de documents anciens mathématiques
http://www.numdam.org/
63
Vibrations élastiques
excitées par
uneonde gravitationnelle
A. PAPAPETROU
Institut Henri Poincaré,
Laboratoire de Physique théorique, associé au C. N. R. S.
Poincaré,
Vol. XVI, no 1, 1972, Physique théorique.
RÉSUMÉ. -
L’équation
d’ondesélastiques qui
décrit les vibrations d’un corpsélastique
excitées par le passage d’une ondegravitationnelle
estdéduite à
partir
del’équation
relativiste du mouvement d’un milieu continujointe
àl’équation
relativiste del’Élasticité.
ABSTRACT. 2014The
general
relativisticequation
of motion of a continuousmaterial distribution combined with the relativistic
equation
ofElasticity
leads to the
equation
of elastic waves which détermines the vibrations of an elasticbody
inducedby
agravitational
wave.INTRODUCTION
Une onde
gravitationnelle
sepropageant
dans unerégion
del’espace qui
contient un corpsélastique
a commeconséquence
l’excitation de vibrationsélastiques
de ce corps. Ces vibrationspourraient
enprincipe
être observées : Le corps
élastique
constitue laplus simple
antenne pour laréception
durayonnement gravitationnel.
Les vibrations
élastiques
excitées par le passage d’une ondegravita-
tionnelle ont été étudiées par Weber
[1].
A la base de ce calcul est unegénéralisation
del’équation
de déviationgéodésique
pour le cas où les deuxparticules
sont soumises à une interaction dutype élastique.
Par uneutilisation
appropriée
de cetteéquation
Weber établitl’équation
d’ondesélastiques qui
détermine ces vibrations.Nous allons montrer dans le
présent
travail que les vibrations élas-tiques
induites par une ondegravitationnelle
etplus généralement
parun
champ gravitationnel
variablepeuvent
être étudiées d’une manière directe à l’aide del’équation
de la théorie d’élasticité relativistejointe
ANN. INST’ POINCARÉ, A-XVi-1 5
à
l’équation générale
du mouvement d’un corpsélastique.
Cette dernièreéquation
est déduite immédiatement del’équation dynamique
de larelativité
générale,
étant donné que le corps
élastique peut
être considéré comme un corpsd’épreuve.
RAPPEL DES FORMULES DE
L’ÉLASTICITÉ
EN
MÉCANIQUE
NEWTONIENNELes deux
grandeurs physiques
fondamentales sont les tenseurs des tensions Uik = Uki et dedéformation s~~ (i, l~,
... =1, 2, 3).
Le tenseur Sikest défini à
partir
dudéplacement si :
x1 et x’z étant les coordonnées d’un
point
matériel du corps avant etaprès
la déformation. En
supposant
que les déformations sontpetites,
c’est-à-dire en
négligeant
les termesquadratiques
en~si ~xl
- Si, l on trouve :Dans le domaine de déformations
élastiques
les tenseurs vik et s;ksont liés par la loi de Hooke dont la forme
générale
estLe tenseur constant
C;k/"2, qui
caractérise le corpsconsidéré,
a lessymétries
suivantes :
Il a par
conséquent
dans le cas leplus général
6-~- 1 (36 z 6) =
21 compo- santesindépendantes.
Le casqui
nous intéresse dans ce travail est le casd’un corps
isotrope.
Le tenseurCiklm
ne contient alors que deuxquantités indépendantes (coefficients
deLamé) :
Au lieu des coefficients À
et [-J-
il estplus
commode d’introduire le module d’élasticité deYoung, E,
et le coefficient de Poisson o- :La relation entre Vik et Sik
prend
alors la forme :Nous sommes intéressés aux vibrations libres du corps
élastique, quand
iln’y
a pas des forces extérieures exercées sur le corps. Dans ce cas la force exercée sur un élément de volume du corpsprovient
des tensions et la densité de force estL’équation
de mouvementqu’on
trouve finalement estl’équation
d’ondesélastiques
p étant la densité du corps et
si,tt~~2Si ~t2.
Onpeut
écrire cetteéquation
aussi sous la forme
les
quantités
Cl et ctr sont définies paret
représentent
les vitesses depropagation
des ondesélastiques longitu-
dinales et transversales dans un milieu
élastique
infini.Nous aurons encore besoin d’une
équation
déduite de(6)
par la diffé- rentiationd accompagnée
de lasymétrisation
parrapport
auxindices
i,
k. Cetteéquation
est :ÉLASTICITÉ
ENRELATIVITÉ GÉNÉRALE
Le tenseur 3-dimensionnel des tensions est
remplacé
ici par le tenseur 4-dimensionnel Mais est de nouveau essentiellement3-dimensionnel,
car il satisfait à la conditiond’orthogonalité
u étant la vitesse du milieu
élastique
aupoint
considéré.Rappelons
que la condition
(9)
n’est satisfaite exactement que dans le cas de chan-gements isothermes,
c’est-à-dire dans le cas de vibrations transversales(quand
onnéglige
lesphénomènes irréversibles).
Mais les corps solides étant très peudéformables,
la condition(9)
reste valableapproximati-
vement aussi dans le cas d’ondes
longitudinales.
La définition du tenseur de déformation du milieu
élastique
se heurteen Relativité
générale
à certaines difficultés(1).
Il est néanmoinsremarquable qu’on peut
définir en Relativitégénérale
le tenseur vitessede
déformation
du milieu enpartant
de la vitesse u~~[5] :
signifie
la dérivée de Lie parrapport
au vecteur uA et estl’opé-
rateur de
projection
surl’hypersurface orthogonale
àuÀ :
L’expression
détaillée deE),
estNous
rappelons
la relationd’orthogonalité
On
peut
formulerl’équation
fondamentale del’Élasticité
en Relativitégénérale
en utilisant le tenseur au lieu d’un tenseur de déformation.Ce
qu’on
obtient de cette manière sera lagénéralisation
relativiste de la dérivée parrapport
autemps
del’équation classique (2).
La
première équation
de cetype
a étéproposée
parSynge [2]
et elle estla suivante :
Cette
équation
a l’inconvénient d’être essentiellement 4-dimensionnelle :Malgré
la relation(9)
on a engénéral 0,
cequi
a la consé-quence 0. C’est-à-dire est essentiellement 4-dimensionnel et a par
conséquent
10-E- 2 1 (100 - 10)
= 55composantes indépendantes
(1) Voir Synge [2] et Rayner [3]. Une définition directe du tenseur de déformation
en Relativité générale a été proposée-récemment par Hernandez [4].
ELASTIQUES 67
au lieu des 21
composantes
que nous avons dans la théorie del’Élasticité
newtonienne.
Cette difficulté est évitée dans
l’équation [6]
En effet la relation
(9)
a laconséquence
et par
conséquent
nous auronsLe tenseur est donc essentiellement 3-dimensionnel et a 21 compo- santes
indépendantes.
Ajoutons
que la modification suivante del’équation
deSynge,
conduit aussi à
(14)
et est parconséquent
aussiacceptable
de cepoint
de vue. La différence entre cette
équation
etl’équation (13)
est sansimportance
pour leproblème
que nous allons discuter dans cetravail,
car elle conduit à des termes d’ordre
supérieur
à celui que nous retiendrons ici.COMPORTEMENT D’UN CORPS
ÉLASTIQUE
DANS UN CHAMP GRAVITATIONNEL VARIABLE Pour la discussion de ce
problème
nous avons besoin d’unepart
del’équation
fondamentale del’Élasticité
Relativiste(13)
et d’autrepart
de
l’équation dynamique
de la Relativité Générale :Nous
accepterons
pour TtLv la forme habituellele tenseur satisfaisant la condition
d’orthogonalité (9).
En introduisant
(16)
dans(15)
nous arrivons auxéquations
La deuxième
équation
estorthogonale
à u~ et a parconséquent
3 compo- santesindépendantes,
parexemple
lescomposantes p..
= i. Nous lesécrirons avec l’indice i inférieur :
Les
équations
du mouvement(17), (18)
ne sont pas suffisantes pour déterminer le mouvement tant que les tensions restent arbitraires.Mais en
joignant
à ceséquations l’équation
del’Élasticité (13), qui
estaussi une relation entre et ux, nous arriverons à des
équations
dumouvement
qui
ne contiennentplus
cet arbitraire. Nous ne pourrons déduire ceséquations
que sous une formeapproximative.
Nous allons d’abord énumérer leshypothèses
que nous sommesobligés
d’introduire poursimplifier
leproblème.
La
première hypothèse, qui
est sans doute entièrementjustifiée,
est que nous pourrons considérer le corps
élastique
comme un corpsd’épreuve;
c’est-à-dire que lechamp gravitationnel peut
être donnéindépendamment
de laprésence
de ce corps.La deuxième
hypothèse
estqu’avant
l’arrivée de l’ondegravitationnelle
le
champ
est stationnaire et que le corpsélastique
est en repos dans cechamp
initial. Nous aurons doncLe
champ
initial est, dans le casqui
nous intéresseici,
lechamp gravitationnel
de la terre. Nous allons lesimplifier
ennégligeant
la rota-tion de la terre, ce
qui équivaut
à supposer que est essentiellementun
champ
de Schwarzschild. Mais nous n’utiliserons pasexplicitement
cette dernière
hypothèse.
Pendant le passage de l’onde
gravitationnelle
nous supposerons que lamétrique
sera de la formeÀy»
étant laquantité qui
décrit l’ondegravitationnelle
incidente dans lecas où = s,,,. Ceci
signifie
que nousnégligeons
un termequi
serait la
conséquence
de l’interaction des sources duchamp
y tJ.’, avec l’ondegravitationnelle. Remarquons
que vu., est aussi unchamp faible,
c’est-à-dire que lesquantités
sont
petites
parrapport
à 1. Nous aurons à tenircompte
du fait quesera
grand
parrapport
à1.[.1v.
69 ELASTIQUES
Avant l’arrivée de l’onde
gravitationnelle
un élément du milieu élas-tique,
que nous allonsdésigner
parP,
a des coordonnées oxi(P) qui
nedépendent
pas dutemps.
Pendant le passage de l’ondegravitationnelle
cet élément matériel sera en mouvement vibratoire autour du
point
oxi(P) :
Si étant un très
petit déplacement qui dépend
de t et de ox’(P).
La vitessedu
point
matériel P sera doncD’une manière
analogue
nous aurons aupoint
P le tenseur destensions
(P)
avant l’arrivée de l’ondegravitationnelle
et le tenseurpendant
le passage de cette onde. Laquantité (P)
nedépend
pasde t et elle est en
général grande
parrapport
à6~,,,.
Nous supposerons que lesquantités a,~,.,,
Vi et sont du même ordre et nous allons retenir dans la suite seulement les termesqui
sontindépendantes
de ces troisquantités
ou linéaires dans l’une ou l’autre de cesquantités.
Dans lesformules finales nous allons aussi
négliger
les termesqui
contiennentces
quantités multipliées
par -CALCUL DU TENSEUR
E~
A cause de la relation
(12)
il suffit de calculer lescomposantes Eik.
Nous considérons d’abord les
quantités
u’~ et u>,. La formulegénérale
nous donne par un calcul élémentaire :
les termes omis contenant
plus
d’un facteur~.u.,
ou V’. Nous écrironsce résultat sous la forme suivante :
La formule
nous donne alors immédiatement :
oux est le vecteur vitesse dans l’état de repos
initial,
avant l’arrivée de l’ondegravitationnelle.
La formule
permet
maintenant de calculer ouz etôuz :
Le résultat est
Pour le calcul de Eik il est commode d’utiliser la formule
qui
contientles dérivées ordinaires de gik uk et
u~ :
En
partant
de(20)
et(24)
on trouve sans difficulté :En introduisant ces
expressions
dans(26)
on trouve finalement :Cette formule montre d’abord que
quand
= 0 = Vi on a aussiE;k
=0,
résultatqu’on
aurait d’ailleurs àdemander
apriori.
La formule(27)
se
simplifie beaucoup
dans le cas = 0(métrique
deSchwarzschild).
Elle se
simplifie davantage
dans le cas d’unchamp
faible où nousÉLASTIQUES
négligeons
les termes contenant un facteuro?~~,.,
= Y v 2014 ~ à côté deÀav
ou Vi. En effet la formule(27)
se réduit alors àOn remarquera que cette formule ne contient pas
oÀ,v :
On aurait la mêmeexpression
dans le cas où le corpsélastique
serait très loin de toute distributionmatérielle,
c’est-à-dire si y~,., =En tenant
compte
de(21)
onpeut
écrire(27’)
sous la formeOn vérifie sans difficulté que Eik est invariant par
rapport
aux transfor-mations de
jauge
Par
conséquent
Eik est lagénéralisation
relativiste du tenseur de défor- mationclassique
donné par(1).
Plus exactement s;k n’est pas la défor- mationtotale,
mais seulement la déformation àpartir
de l’état station- naire du corpsélastique qui
existait avant l’arrivée de l’ondegravita-
tionnelle.
LA LOI DE HOOKE
GÉNÉRALISÉE
La
prochaine quantité
que nous avons à calculer est lepremier
membrede
(13).
Cettequantité
est donnée parl’expression
suivante(pour
La condition
d’orthogonalité (9) appliquée
à l’état stationnaire initialnous donne
Dans l’état variable cette condition
prend d’après (22)
la formeNous aurons donc en
première approximation,
en tenantcompte
de(24) :
Dans le cas
général
00398ikpeut
contenir non seulement les tensionsinduites par le
champ gravitationnel
iintial mais aussi des tensionsinternes
indépendantes.
En tout cas on ne doit pasdépasser
la limitede
l’élasticité,
cequi
nous donne pour un métal la restriction :Comme nous avons
supposé
que Vk est du même ordre queezk, E
il s’ensuitque
03B8i0 E
estetit
parrapport
â03B8ik E.
D’autrepart (P)
nedépend
pas,d’après (22),
de t et parconséquent
Nous aurons donc en
première approximation :
Les deux derniers termes sont aussi
négligeables
à cause de(31)
et del’hypothèse
que etVl,k
sont du même ordre. Nous avons donc finalementLa
généralisation
relativiste de la loi de Hooke est donnée par(13).
Pour un corps
élastique isotrope
nous auronsEn tenant
compte
de la conditiond’orthogonalité (12)
on déduit alors de(13) :
ou en
exprimant j1
et ). par E et a-d’après (3 ") :
La relation
(12)
montre queE,o
estpetit
parrapport
à Parconséquent :
D’autre
part
Ui uk estpetit
parrapport
à gik=2014 ~
+....L’équa-
tion
(33)
se réduit donc pour pu= i,
k àÉLASTIQUES
En introduisant dans cette
équation
les résultats(27 ")
et(32)
on trouvefinalement :
L’équation (35)
se laisseintégrer
immédiatement parrapport
à x°.En
partant
d’un moment où lesystème
était dans l’état stationnaire initial nous trouvons :La constante
d’intégration qui
devrait entrer dans cette relation estégale
à
zéro,
carpour
= nous avons6ik
= 0 = Eikd’après (22)
et(28).
La relation
(36)
a exactement la formeclassique (4)
avec la seule diffé-rence que Sik a été
remplacé
par s;k. On remarquera que lesquantités
et n’entrent pas dans cette
relation,
évidemment à cause deshypo-
thèses que -1J{J.v et sont
petits
parrapport
à 1.L’ÉQUATION
DU MOUVEMENTDans
l’équation
du mouvement(18)
entrent lesquantités
p, ù et Pour p nous avonsl’équation (17).
Le deuxième membre de cetteéquation peut
être transformé à l’aide de la conditiond’orthogonalité :
En
première approximation
cetteéquation
se réduit àNous avons aussi
Posons
u? étant la densité constante initiale.
L’équation (17)
nous donne alors :Le facteur
est très
petit
et parconséquent
le dernier terme de(40)
estnégligeable.
L’équation (40)
montredéjà
queop
estpetit
dupremier
ordre. Nous auronsdonc
En tenant
compte
de(27")
nous trouvons pour(40)
la formeL’intégration
de cetteéquation
donnePour l’accélération izi vous trouvons :
Le
premier
terme nous donne enpremière approximation
Le deuxième terme donne :
Nous trouvons finalement :
On vérifie immédiatement que
l’expression
trouvée pour 0(Ui)
est inva-riante par
rapport
aux transformations dejauge (29).
Il nous reste à calculer la
quantité
Un calcul direct vous donne :
Cette formule nous donne pour l’état stationnaire initial : 1
ELASTIQUES
Dans le cas d’un
champ
faible cetteexpression
se réduit àPour le terme variable de on déduit de
(43)
enpremière approxi-
mation :
Dans cette formule on a
déjà
utilisé le fait que "’((LV est unchamp faible,
= Yl(Lv
-~-’ - ....
Le
champ
y,vqui
nous intéresse est lechamp gravitationnel
de la terre.Dans ce cas nous avons
m étant la masse
gravitationnelle
de la terre et R son rayon :En
supposant
que lalongueur
d’onde durayonnement gravitationnel
est de l’ordre de 107 cm
(expérience
deWeber)
on vérifie sans difficultéque tous les termes
après
le deuxième sontpetits
parrapport
au deuxième.Le premier
termedépend
dugradient
etpourrait
enprincipe
devenirde l’ordre du
deuxième,
si onpouvait
réaliser des tensions initiales àgradient
suffisamment élevé. Mais ceci n’est pas le cas dans uncylindre métallique
dutype
utilisé dansl’expérience
de Weber. Lepremier
termeest donc dans ce cas aussi
négligeable
et nous avons le résultat final :Le dernier terme dans
l’équation
du mouvement(18)
estd’après (37)
Dans l’état stationnaire initial ce terme s’annule à cause du facteur
E:t:[3.
Dans l’état variable il a en
première approximation
la valeurOn vérifie immédiatement que cette
quantité
estpetite
parrapport
aupremier
terme du deuxième membre de(18).
Il suint parconséquent
d’écrire
l’équation (18)
sous la formeCette
équation
nous donne pour l’état stationnaire initial :Pour l’état variable nous trouvons d’abord
En tenant
compte
de(41), (42)
et(46)
on vérifie que lepremier
termede
(48)
estnégligeable
et on trouve finalement :Les
équations (49)
et(36)
sont leséquations
du mouvement vibratoiredu corps
élastique
enprésence
de l’ondegravitationnelle.
Il est à remarquer que, sous les conditions que nous avons considéréici,
ceséquations
necontiennent pas le
champ initial 03B3 03BD
et les tensions initiales En introduisant dans(49)
la valeur de6ik
donnée par(36)
on obtient lagéné-
ralisation relativiste de
l’équation classique (6)
ou(6’).
L’ÉQUATION
RELATIVISTE D’ONDESÉLASTIQUES
Nous avons
déjà remarqué
quel’expression figurant
aupremier
membrede
(49)
ainsi que laquantité
Eik définie par(28)
et entrant dans(36)
sontinvariantes par
rapport
aux transformations dejauge (29). Cependant
le fait que
l’équation (49)
contient lesquantités
Vi et7~~," qui
ne sont pas invariantesséparément
constitue un certain inconvénient.On obtient une
équation qui
neprésente
pas cet inconvénient enformant d’abord la dérivée par
rapport
à xk del’équation (49) :
La
symétrisation
de cetteéquation
parrapport
donne :ÉLASTIQUES EXCITÉES PAR UNE ONDE GRAVITATIONNELLE 77 On a dans cette formule tenu
compte
de la valeur linéarisée deD’autre
part
on déduit de(28)
la relation :Le dernier terme de cette relation est
égal
àRiooz,
à cause deséquations
d’Einstein pour le vide satisfaites par l’onde
gravitationnelle :
Mais ce nouveau terme
RiOok
estmultiplié
par le trèspetit
nombre ~2014. ~ 2014.
et il est parconséquent négligeable
parrapport
au deuxième terme de
(50).
Nous trouvons donc comme résultat final la formule :Nous avons dans cette relation utilisé les définitions
(7)
de Cl et ctr.L’équation (52)
est lagénéralisation
relativiste del’équation classique
d’ondes
élastiques (8).
Lagénéralisation
consiste dans leremplacement de sik
par EZ~ etl’apparition
du termeRiOok qui joue,
dupoint
de vueclassique,
le rôle d’une force extérieure excitant de vibrationsélastiques.
Dans le cas d’ondes
longitudinales
sepropageant
dans la direction xi avec 03C3 = 0 on aL’équation (52)
devient alorsidentique
àl’équation correspondante
donnée par Weber
[1] (2), quand
on met dans cette dernièreéquation b
= 0.Nous
indiquerons
brièvement une méthodeplus générale qui
conduitaussi à
l’équation (52). Écrivons l’équation
du mouvement(17’) - équi-
valente à
l’équation (18)
- sous la former
De cette
équation
nous déduisons immédiatement :1’)
Équation
(8.34), p. 132.Le
premier
terme de cetteexpression
nous donneEn tenant
compte
de la relationnous trouvons finalement :
La
symétrisation
de cette relation parrapport
à [J-, 1J donne :On
pourrait
aussiantisymétriser (54)
et trouver :Le
permier
terme de(55)
s’écritd’après (10’) :
Il contient par
conséquent
le termequi
est pour , 03BD =i, k
lepremier
terme de(52).
En effetl’équation (55)
constitue la forme exacte de
l’équation (52),
si on suppose que les0~
ont été éliminés de
(55)
à l’aide de la loi de l’élasticité(33).
Sous leshypothèses
que nous avons fait dans ce travail sur lechamp gravita-
tionnel
initial 03B3 03BD
et les tensions initiales 00398ikl’équation (55)
devientau
premier
ordreidentique
àl’équation (52).
BIBLIOGRAPHIE
[1] J. WEBER, General Relativity and Gravitational Waves, Interscience Publishers,
New York, 1961, chap. 8.
[2] J. L. SYNGE, Math. Z., t. 72, 1959, p. 82.
[3] C. B. RAYNER, Proc. Roy. Soc. (London), vol. 272 A, 1963, p. 44.
[4] W. C. HERNANDEZ Jr., Phys. Rev., D, vol. 1, 1970, p. 1013.
[5] N. ROSEN, Phys. Rev., vol. 71, 1947, p. 54; G. SALZMAN et A. TAUB, Phys. Rev.,
vol. 95, 1954, p. 1659.
[6] F. A. E. PIRANI (non publié); J. F. BENNOUN, C. R. Acad. Sc., t. 259, 1964, p. 3705;
J. F. BENNOUN, Ann. Inst. Henri Poincaré, t. A 3, 1965, p. 41.
(Manuscrit reçu le 23 juillet