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Les ondes gravitationnelles, messag`eres d’Einstein

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Academic year: 2021

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(1)

Les ondes gravitationnelles, messag`eres d’Einstein

Alexandre Le Tiec

Laboratoire Univers et Th´eories Observatoire de Paris / CNRS

(2)
(3)
(4)

Plan de l’expos´e

1 Espace, temps et gravitation

2 Qu’est-ce qu’une onde gravitationnelle ?

3 Comment d´etecter les ondes gravitationnelles ?

4 Un couple de trous noirs fusionnels

5 L’astronomie gravitationnelle

(5)

Plan de l’expos´e

1 Espace, temps et gravitation

2 Qu’est-ce qu’une onde gravitationnelle ?

3 Comment d´etecter les ondes gravitationnelles ?

4 Un couple de trous noirs fusionnels

5 L’astronomie gravitationnelle

(6)

La relativit´e g´en´erale est la th´eorie de l’espace, du temps et de lagravitation formul´ee par Albert Einstein en 1915

(7)

Espace, temps et espace-temps

t0

(8)

Espace, temps et espace-temps

t0 t1

(9)

Espace, temps et espace-temps

t0 t1 t2

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Espace, temps et espace-temps

t0 t1 t2 t3

(11)

Espace, temps et espace-temps

t0 t1 t2 t3 t4

(12)

Espace, temps et espace-temps

espace

t0 t1 t2 t3 t4 temps

(13)

Espace, temps et espace-temps

espace espace-temps

t0 t1 t2 t3 t4 temps

(14)

L’espace-temps est courbe

La gravitation est la manifestation de la courbure de l’espace-temps par la masse et l’´energie de la mati`ere

(15)

L’espace-temps est dynamique

espace-temps

(16)

L’espace-temps est dynamique

espace-temps dessert anglais

(17)

Plan de l’expos´e

1 Espace, temps et gravitation

2 Qu’est-ce qu’une onde gravitationnelle ?

3 Comment d´etecter les ondes gravitationnelles ?

4 Un couple de trous noirs fusionnels

5 L’astronomie gravitationnelle

(18)
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)

Les vibrations de l’espace-temps

Uneonde gravitationnelle est une oscillation dans lacourbure de l’espace-temps qui se propage `a la vitesse de la lumi`erec

onde gravitationnelle courbure

(24)

Les vibrations de l’espace-temps

espace temps

(Credit : E. Gourgoulhon)

(25)

Ondes ´electromagn´etiques

(26)

Ondes ´electromagn´etiques Ondes gravitationnelles

(27)

Les sources d’ondes gravitationnelles

supernovae

(28)

Les sources d’ondes gravitationnelles

supernovae

étoile à neutrons isolée

(29)

Les sources d’ondes gravitationnelles

binaire d'étoiles à neutrons

supernovae

étoile à neutrons isolée

(30)

Les sources d’ondes gravitationnelles

binaire d'étoiles à neutrons binaire de trous noirs supernovae

étoile à neutrons isolée

(31)

Plan de l’expos´e

1 Espace, temps et gravitation

2 Qu’est-ce qu’une onde gravitationnelle ?

3 Comment d´etecter les ondes gravitationnelles ?

4 Un couple de trous noirs fusionnels

5 L’astronomie gravitationnelle

(32)

Effets d’une onde gravitationnelle

(33)

Effets d’une onde gravitationnelle

[https://youtu.be/WgE6lb i78A]

(34)

Effets d’une onde gravitationnelle

0 ¼T ½T ¾T

h

t T

(35)

Effets d’une onde gravitationnelle

0 ¼T ½T ¾T

h

t T

(36)

Effets d’une onde gravitationnelle

0 ¼T ½T ¾T

h

t T

(37)

Effets d’une onde gravitationnelle

0 ¼T ½T ¾T

h

t T

Onde gravitationnelleh−→ variation de longueur δL∼hL

(38)

D´etecteurs interf´erom´etriques laser

LIGO Hanford LIGO Livingston Virgo GEO600

(39)

Les ondes peuvent interf´erer

+

= =

+

interférences constructives interférences destructives

(40)

Les ondes peuvent interf´erer

(41)

Principe de fonctionnement

[https://youtu.be/tQ teIUb3tE]

(42)

Plan de l’expos´e

1 Espace, temps et gravitation

2 Qu’est-ce qu’une onde gravitationnelle ?

3 Comment d´etecter les ondes gravitationnelles ?

4 Un couple de trous noirs fusionnels

5 L’astronomie gravitationnelle

(43)

Les d´etecteurs LIGO

(44)

La premi`ere d´etection !

(45)

La premi`ere d´etection !

[https://youtu.be/QyDcTbR-kEA]

(46)

Deux trous noirs ont fusionn´e

(47)

Propri´et´es de la source h

t

62M☉ 29M☉

36M☉

(48)

Propri´et´es de la source h

t

62M☉ 29M☉

36M☉

Voir lecours fil rougemardi 9 `a 14h30

(49)

Un ´ev´enement historique

• Premi`ered´etection directed’ondes gravitationnelles

• Preuve la plus robuste de l’existence destrous noirs

• D´ecouverte du premier syst`eme binairede trous noirs

• Premier test de la relativit´e g´en´erale enchamp fort

(50)

Apparence de la fusion

[https://youtu.be/I 88S8DWbcU]

(51)

Simulation de la fusion

[https://youtu.be/ GhkWuIDzpc]

(52)

Plan de l’expos´e

1 Espace, temps et gravitation

2 Qu’est-ce qu’une onde gravitationnelle ?

3 Comment d´etecter les ondes gravitationnelles ?

4 Un couple de trous noirs fusionnels

5 L’astronomie gravitationnelle

(53)

Trois d´etections en quelques mois

29M☉

36M☉

(54)

Trois d´etections en quelques mois

29M☉

36M☉

7M☉

14M☉

(55)

Trois d´etections en quelques mois

29M☉

36M☉

7M☉

14M☉

13M☉ 23M☉

(56)

Un r´eseau mondial de d´etecteurs terrestres

(57)

Un r´eseau mondial de d´etecteurs terrestres

Plusieurs centaines d’´ev´enements par an d’ici 2020

(58)

Un d´etecteur de troisi`eme g´en´eration

Projet ET`a l’´etude par la Commission europ´eenne

(59)

Une antenne gravitationnelle dans l’espace

ProjeteLISA de l’Agence spatiale europ´eenne (ESA)

(60)

Ecouter la symphonie cosmique avec eLISA´

(61)

Ecouter la symphonie cosmique avec eLISA´

(62)

Ecouter la symphonie cosmique avec eLISA´

(63)

Ecouter la symphonie cosmique avec eLISA´

(64)

Fusions de trous noirs supermassifs

(65)

Fusions de trous noirs supermassifs

Explorer la croissance des trous noirs et comprendre l’´evolution des galaxies au cours des temps cosmiques

(66)

G´eod´esie

(67)

G´eod´esie

[https://youtu.be/WPvkzSvgHvc]

(68)

G´eod´esie Bothriom´elad´esie

[https://youtu.be/WPvkzSvgHvc]

(69)

G´eod´esie Bothriom´elad´esie

Tester le th´eor`eme de calvitie des trous noirs

[https://youtu.be/WPvkzSvgHvc]

(70)

Que nous r´eserve l’avenir ?

Fenˆetre Ouverture D´ecouverte Ann´ee

(71)

Que nous r´eserve l’avenir ?

Fenˆetre Ouverture D´ecouverte Ann´ee optique 1609 crat`eres lunaires 1609

(72)

Que nous r´eserve l’avenir ?

Fenˆetre Ouverture D´ecouverte Ann´ee optique 1609 crat`eres lunaires 1609

satellites joviens 1610

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Que nous r´eserve l’avenir ?

Fenˆetre Ouverture D´ecouverte Ann´ee optique 1609 crat`eres lunaires 1609

satellites joviens 1610

cosmiques 1912 muons 1936

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Que nous r´eserve l’avenir ?

Fenˆetre Ouverture D´ecouverte Ann´ee optique 1609 crat`eres lunaires 1609

satellites joviens 1610

cosmiques 1912 muons 1936

ondes radio 1933 fond diffus 1964

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Que nous r´eserve l’avenir ?

Fenˆetre Ouverture D´ecouverte Ann´ee optique 1609 crat`eres lunaires 1609

satellites joviens 1610

cosmiques 1912 muons 1936

ondes radio 1933 fond diffus 1964

pulsars 1967

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Que nous r´eserve l’avenir ?

Fenˆetre Ouverture D´ecouverte Ann´ee optique 1609 crat`eres lunaires 1609

satellites joviens 1610

cosmiques 1912 muons 1936

ondes radio 1933 fond diffus 1964

pulsars 1967

rayons X 1948 binaires X 1962

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Que nous r´eserve l’avenir ?

Fenˆetre Ouverture D´ecouverte Ann´ee optique 1609 crat`eres lunaires 1609

satellites joviens 1610

cosmiques 1912 muons 1936

ondes radio 1933 fond diffus 1964

pulsars 1967

rayons X 1948 binaires X 1962

rayonsγ 1961 sursautsγ 1967

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Que nous r´eserve l’avenir ?

Fenˆetre Ouverture D´ecouverte Ann´ee optique 1609 crat`eres lunaires 1609

satellites joviens 1610

cosmiques 1912 muons 1936

ondes radio 1933 fond diffus 1964

pulsars 1967

rayons X 1948 binaires X 1962 rayonsγ 1961 sursautsγ 1967 bulles g´eantes 2010

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Que nous r´eserve l’avenir ?

Fenˆetre Ouverture D´ecouverte Ann´ee optique 1609 crat`eres lunaires 1609

satellites joviens 1610

cosmiques 1912 muons 1936

ondes radio 1933 fond diffus 1964

pulsars 1967

rayons X 1948 binaires X 1962 rayonsγ 1961 sursautsγ 1967 bulles g´eantes 2010 neutrinos 1968 oscillations 2001

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Que nous r´eserve l’avenir ?

Fenˆetre Ouverture D´ecouverte Ann´ee optique 1609 crat`eres lunaires 1609

satellites joviens 1610

cosmiques 1912 muons 1936

ondes radio 1933 fond diffus 1964

pulsars 1967

rayons X 1948 binaires X 1962 rayonsγ 1961 sursautsγ 1967 bulles g´eantes 2010 neutrinos 1968 oscillations 2001 ondes grav. 2015

?

De nombreuses surprises en perspective !

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En r´esum´e

• Les ondes gravitationnelles sont desoscillations de courbure qui se propagent dans l’Univers `a la vitesse de la lumi`ere

• Ces ondes sont g´en´er´ees lors de l’acc´el´eration de grandes concentrations de masse

• Les syst`emes binaires d’astres compactssont des sources d’ondes gravitationnelles prometteuses

• Les d´etecteurs interf´erom´etriquesd’ondes gravitationnelles sont capables de mesurer d’infimes variations de longueur

• Des ondes gravitationnelles ´emises lors de lafusion de deux trous noirs ont r´ecemment ´et´e d´etect´ees

• Cette d´ecouverte historique inaugure une nouvelle `ere en astronomie, celle de l’astronomie gravitationnelle

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Pour en savoir plus

Festival d’astronomie

• Mardi 9 `a 11h15,grande conf´erencepar A. Boh´e : Premi`ere d´etection des ondes gravitationnelles, le d´ebut d’une nouvelle astronomie

• Mardi 9 `a 14h30,cours fil rougepar moi-mˆeme : Anatomie d’une onde gravitationnelle

• Mercredi 10 `a 9h30,cours fil rougepar A. Boh´e : Comment d´etecte-t-on une onde gravitationnelle ?

(83)

Pour en savoir plus

Livres

• J. Levin,Black hole blues, Bodley Head, 2016

• P. Bin´etruy,A la poursuite des ondes gravitationnelles, Dunod, 2015`

• N.& J. Delabrouille,Les nouveaux messagers du cosmos, Seuil, 2011

• D. Kennefick,Traveling at the speed of thought, Princeton, 2007

• K. Thorne,Trous noirs et distorsions du temps, Flammarion, 1997

MOOC

• Gravit´e !, Universit´e Paris Diderot

• Peser l’Univers, Observatoire de Paris

Plate-forme France universit´e num´erique :www.fun-mooc.fr

Références

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