On a détecté les ondes gravitationnelles!

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1 On a détecté les ondes gravitationnelles! Prédites par Albert Einstein il y a 100 ans, G. Bogaert CNRS, ARTEMIS, Observatoire de la Côte d Azur Congrès de l UDPPC, Dijon, 26 octobre 2016

2 Simulation

3 Plan La gravitation/relativité générale Qu est ce qu une onde gravitationnelle? Comment les détecter? Premières observations La suite

4 1609

5 Newton : Il existe une force due à la Loi de la gravitation universelle Universelle : la même force fait tomber la pomme et tourner les planètes

6 Trajectoire de la Terre La force s applique aux masses Isaac Newton, 1687 F = G m 1 m 2 / r 2 force centripète Explique les mouvements dans le système solaire Sauf un petit effet : avance du Périhélie de Mercure (ça marche mais on ne sait pas pourquoi il y a une force)

7 Succès et échecs de la loi de gravitation Succès : tout le système solaire (sauf : ) Echec : Avance du Périhélie de Mercure 574 d arc par siècle, expliqué par attraction des autres planètes (Le Verrier) sauf pour 43 par siècle : un tour de plus tous les ans, inexplicable

8 Un autre effet de la gravité : les forces de marée Point de vue habituel Compression Point de vue de la Terre Extension

9 La force d attraction universelle n existe pas! L espace-temps est courbe à proximité des masses et la Terre suit la courbure Albert Einstein théorie de la relativité générale (Inclut la gravitation) Explique les 43 par siècle de décalage du périhélie de Mercure Ca marche, mais on ne sait pas pourquoi la masse courbe l espace temps

10 Mesure de la déviation de la lumière d une étoile rasant le soleil, 1919 Eddington Eclipse totale de Soleil, le 29 Mai 1919 Théorie : 0,87 (Newton) 1,73 (Einstein) Mesure : 1, (Eddington) New York Times, Nov. 1919

11 Pourquoi la pomme tombe? Grecs explication La place de la pomme est en bas. N explique pas Newton La Terre attire la pomme. Il existe une force entre les deux, fonction de leur masse et de leur distance. Einstein Il n y a pas de force d attraction à distance! La pomme subit la courbure de l espace temps où elle se trouve. Cette courbure produit une accélération. La courbure est due à la Terre. Pourquoi? Pourquoi?

12 Quelques conséquences de la théorie de la Relativité générale : Le rythme de l écoulement du temps dépend de l altitude (rougissement gravitationnel 1976) 1600 m au dessus de la mer : 15 milliardièmes de secondes /jour Existence des trous noirs (Cygnus X1, 1971) Existence d ondes gravitationnelles

13 Horizon Singularité

14 Un trou noir au centre de la galaxie! (2002) Lentille gravitationnelle premier trou noir : Cygnus X1, 1971 Trajectoire S2 -> 4.1 million de masses solaires Trajectoire S17 -> Rayon astre noir < 45 UA (l horizon d un trou noir serait 0.08 UA soit km)

15 -Les ondes gravitationnelles existent Hulse et Taylor (1974) Pulsar binaire : pulsar + étoile à neutron ou naine blanche PSR B prix Nobel > perte d énergie par ondes gravitationnelles accord meilleur que 0.1% Entre théorie et observation accélération de la rotation : 0, s/an Fusion prévue dans ans

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17 Onde Gravitationnelle = Modification d un effet de marée, qui se propage In Kip Thorne, Interstellar Compression

18 Collision de 2 trous noirs

19 Effet de compression/étirement DL Compression h ~ DL / L L Combien? (grosse déception!)

20 Objet en rotation Balle de tennis tournant au bout d une corde d 1 m, à une distance de 10 m : Compression et dilatation des distances h ~ Pulsar de Hulse & Taylor : h ~ Io autour de Jupiter : h ~ NS Binaire@Centre galactique : h ~ GW h ~

21 Effet de GW15014 h ~ L = km DL ~ m

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23 LIGO Ray Weiss GW contraction étirement sur 4 km +- 0,002 fm

24 Comment ça marche? Miroir séparatrice Miroir Laser Détecteur de lumière Brillet Giazotto

25 Comment ca marche?

26 Miroir Système très sensible à la position des miroirs Limité par bruit de grenaille séparatrice Miroir dx/l =1/4p (2hn/P) 1/2 20 W -> dx =10-17 m/hz 1/2 Laser Détecteur de lumière Pour Virgo, L = 3 km dh = dx/l = /Hz 1/2 (20W/P) ½ 3km/L F. Kéfélian, > Il faut encore gagner 2 ordres de grandeur Augmenter la puissance : P= 200 kw? Augmenter la longueur des bras : L = 300 km?

27 Miroir Virgo : Interféromètre à recirculation Cavités dans les bras Finesse 50 Longueur effective 2/p*Finesse Miroir Recyclage de puissance Gain 50 Miroir dh = dx/l= /Hz 1/2 Laser Miroir Miroir

28 Expected sensitivity gain for AdV : one order of magnitude 3 orders of magnitude in the scanned universe volume CERN

29 Observations :

30 Advanced Virgo Compensation thermique pour miroirs d entrée W 200W continu grands miroirs (34 cm) 40 kg Recyclage de signal et filtrage

31 Advanced Virgo : gain d un facteur 10 en sensibilité ~ Galaxies Neutron Star-Neutron Star une détection /mois? 135 Mpc pour couples de NS-NS et 1 Gpc pour 30M couples de trous noirs

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33 LIGO Scientific collaboration

34 Longueur des bras 3 km. Advance Virgo vide amélioré d un facteur 100 Plus grand système ultra vide en Europe Tuyau : 1.2 m diamètre x 6 km

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36 Miroirs : miroirs: 35cm diameter, 20 cm thick, 42 kg, séparatrice 55cm améliorés pour Adv Virgo Silice ultrapure de Heraeus, absorption 0.2 ppm/cm amélioré pour Adv Virgo Polissage controlé à 0.5 nm amélioré pour Adv Virgo Dépot des couches minces au LMA (Lyon). amélioré pour Adv Virgo

37 Expected seismic displacement of the mirror (red curve) compared with natural seismic noise Thermal noise is dominant above 3 Hz Active damping of the resonances at the top stage level amélioré pour Adv Virgo Passive Isolation performance

38 Laser puissant et ultra stable Bruit de fréquence du laser δν < Hz/ Hz ½ à 50Hz Or la source laser(nd:yag) δν 200Hz/Hz à 50Hz bruit de fréquence du laser doit être réduit de 8 ordres de grandeur pour que la mesure soit limitée par le bruit de photons. pour Adv Virgo : 125 Watt

39 Plus de 100 boucles d asservissement canaux de données de surveillance et contrôle 2500 rapides <800 KHz lents < 1 Hz Front-end camera ~ 400 Mbytes/s (raw images) Jitter < 10 ms sur les données

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41 Bruit gravitationnel terrestre Bruit Quantique de pression de radiation Bruit thermique des miroirs Bruit de grenaille blanc + effet d atténuation du signal HF par la cavité

42 Plan La gravitation/relativité générale Trous noirs et autres conséquences Qu est ce qu une onde gravitationnelle? Comment les détecter Premières observations La suite

43 14 Septembre 2015 à 05:51 EDT: Data Analysis (LIGO & Virgo as a network)

44 GW FAR=1 per 200,000 yrs FAP=2.e-7

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46 GW : le gazouillis de 2 trous noirs fusionnant

47 GW Le signal mesuré moins la prédiction d Einstein M1 = 36M, M2 = 29M reste le bruit

48 GW Relativité en champ fort Contraintes sur la dimension des trous noirs

49 E = Mc 2, M= =3 masses solaires ont disparu. La matière équivalente à 3 Soleil a été convertie en ondulations de l espace temps (ondes gravitationnelles) 50 fois la lumière de toutes les étoiles ou Un milliard de milliards de milliards de fois la consommation énergétique des humains en quelques dizièmes de secondes

50 GW La 1 ère coalescence de trous noirs Premiers trous noirs de 30 masses solaires Vitesse finale = 0.6 c l événement le plus puissant jamais observé Conforme à la Relativité Générale

51 Localisation de la source Mesure basée sur les temps d arrivées -> cercle dans le ciel. + anisotropie des détecteurs Distance : entre 0,750 et 1, AL dans 600 carrés

52 SNR 23.7 SNR 9.7 SNR 13.0

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55 Trous noirs inattendus et plus lourds GW LVT LVT Comment se sont ils formés? Distribution en taille Effets de spin? GW LVT GW Production de lumière Théories alternatives?? GW GW GW

56 ~ 60 partenaires dans 19 pays ~ 150 instruments couvrant de la radio aux rayons gamma Pas de détection Besoin d un 3 ème détecteur David Shoemaker Slide David Schoemaker, MIT

57 Localisation : besoin de plus de détecteurs Estimation actuelle Simulation avec Virgo 90 % de confiance Dans le futur : < 5 carrés avec Adv LIGO et Adv Virgo Image credit: LIGO/Axel Mellinger

58 Les détecteurs d ondes gravitationnelles LIGO Hanford GEO600 LIGO Livingston Virgo LIGO India (financé) Kagra en construction

59 Plan La gravitation/relativité générale Trous noirs et autres conséquences Qu est ce qu une onde gravitationnelle? Comment les détecter Premières observations La suite

60 Possible future sources for signals Ground-based Spinning neutron stars Colliding neutron stars sey Reed, Penn State Cosmic noise Supernovae NASA/WMAP Science Team 60

61 Possible future sources for signals Ground-based Spinning neutron stars Colliding neutron stars sey Reed, Penn State Cosmic noise Supernovae NASA/WMAP Science Team 61

62 LISA (2032?)

63 Couples de trous noirs supermassifs Couples de trous noirs Supernovae galactiques Binaires galactiques Adv Virgo + pulsars

64 ~1 million of NS-NS a year up to z~2

65 65 La première seconde de la vie de l Univers

66 Ce n est qu un début! -> physique fondamentale, astrophysique, cosmologie. Test de la Relativité Générale en champ fort Distribution de masse des trous noirs et leur évolution. Histoire de l Univers Contraintes sur les Modèles d énergie sombre. Sonder la première seconde Etude de l espace temps près de l horizon Équation d Etat des étoiles à neutrons Dynamique des grands structures de l Univers... Comment explosent les Supernovae? Quels sont les progéniteurs des GRB courts?