mise à jour le 15
Septembre 2005
CONFÉRENCE SUR
"LES ONDES GRAVITATIONNELLES"
Par ALAIN
BRILLET
de l'OCA, Directeur de Recherche , Membre de VIRGO
Organisée par
l'IAP
98 bis Av Arago,
Paris 14 ème
le mardi 13 septembre 2005
Photos : JPM.pour
l'ambiance sinon voir les ©
BREF COMPTE RENDU
Un public très
nombreux, comme toujours à l'IAP, s'apprête à écouter ce soir notre
conférencier.
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Alain
Brillet , Directeur de recherche au CNRS et membre d'ARTEMIS de l'OCA (je traduis :
Astrophysique Relativiste Théories Expériences Métrologie Instrumentation Signaux
de l'Observatoire de la Côte d'Azur) a travaillé aussi à ,l'Horloge Atomique,
il a dirigé (côté français) le projet VIRGO pendant sa construction de 1993 à
2003 et maintenant membre du groupe VIRGO.
Il nous entretient
ce soir des ondes gravitationnelles et de leur détection.
Nos lecteurs
peuvent aussi se remettre en mémoire la conférence
du symposium Einstein sur un sujet similaire afin de mieux se préparer à ce
compte rendu.
GÉNÉRALITÉS.
Les ondes
gravitationnelles (OG) sont des déformations de la structure de l'espace-temps.
C'est une
invention de notre petit génie Albert Einstein en 1916.
Que peut on dire
de simple pour commencer sur les OG :
Cette interaction
gravitationnelle n'est pas instantanée, donc il y a un retard de propagation ,
et émission d'énergie qui conduit à la genèse des OG.
PROPRIÉTÉS
DES OG.
·
Transversalité
: les effets sont perpendiculaires à la direction de propagation
·
Vitesse : se
propage à la vitesse de la lumière, permet de localiser la source des OG
·
Polarisation
:deux polarisations possibles
·
Extrême
faiblesse de l'interaction : la variation de longueur Dx/x au passage d'une onde de gravité est
liée à l'amplitude h de l'OG par la formule :
Dx/x = ½
hxx
Il faut se rendre
compte de l'ordre de grandeur de ces variations :
La variation a
détecter serait de 10-17 pour la coalescence d'un trou noir binaire
de 10 Masses solaires situé au centre de notre galaxie et de 10-20
pour le même objet situé dans l'amas de la vierge (à 80 millions d'al).
À titre de
comparaison la variation à détecter sur une longueur de 10.000km est de la
largeur d'un atome!!!!!
Cette faiblesse de
l'interaction oblige à une sensibilité instrumentale énorme.
Par contre cet
inconvénient devient un avantage : l'Univers est pour ainsi dire transparent
aux OG, donc pourrait remonter jusqu'au début de l'Univers, c'est une nouvelle
fenêtre ouverte sur l'Univers. On se console comme on peut!
SOURCES
D'ONDES GRAVITATIONNELLES.
Pour avoir
émission d'OG il faut des masses élevées, un mouvement rapide et un moment
quadrupolaire.
Seuls des étoiles
à neutrons, des trous noirs et des systèmes binaires peuvent donner des OG
détectables.
On
a eu longtemps des doutes sur l'existence des OG, mais depuis 1975 le doute
n'est plus permis.
Hulse et Taylor
découvrent un pulsar (PSR 1913+16 : pulsar binaire : couple de 2 étoiles à
neutrons) avec modulation de l'émission de l'ordre de 8 heures, prouvant ainsi
que c'est bien un système double.
Ils prétendent
qu'il émet des ondes gravitationnelles et que donc ils devraient perdre de
l'énergie, ce qui a été confirmé par la courbe suivante montrant la diminution
de la période orbitale sur 20 ans (perte de 3mm par orbite de 8h!).
Hulse et Taylor
obtiennent le
prix Nobel pour cela en 1993.
Les masses élevées
étant à la source d'émission d'OG, les fréquences à détecter sont de très
basses fréquences bien sûr.
Par exemple :
Pour une émission
source d'une masse solaire : fréquence des OG : 1 ms (1000Hz)
Pour une émission
source de un million de masse solaire : fréquence des OG : 1000 s (1 mHz!)
HISTORIQUE
DES ONDES GRAVITATIONNELLES.
Alain Brillet nous
relate maintenant succinctement l'historique de la notion d'ondes
gravitationnelles.
1960 Premier
détecteur résonant (Joe Weber) peu sensibles
1973 détecteur
interférométrique (R. Weiss) dimensionnement, étude, bruit.
1974 PSR1913+16 (Hulse&Taylor)
1980
Interférométrie par Ron Drever (Caltech)
1990 projets de
construction de LIGO (USA) et VIRGO (France+Italie)
1993 Début
Construction VIRGO
2001-2002 VIRGO
CITF. LIGO : engineering runs
2005 LIGO presque
à sa sensibilité (et VIRGO fin 2005 début 2006)
2013 Lancement de
LISA dans l'espace
2016 Centenaire de
l'invention des OG par Albert.
LE
PROJET FRANCO-ITALIEN VIRGO.
Le projet VIRGO
comme tous les projets similaires (LIGO aux USA par exemple) est basé sur la
construction d'un interféromètre type Fabry-Perot géant
(bras de 3km) qui devrait détecter le passage des OG. (voir schéma de principe
© Virgo ci dessus)
On doit être
capable de mesurer une variation de différence de
longueur de l'ordre de 10-18 m et avoir une puissance
lumineuse importante.
Pour augmenter
l'effet il faut augmenter aussi artificiellement la longueur des bras, c'est le
rôle de miroirs liés à une cavité
Fabry-Perot résonante, le signale effectue une centaine d'aller-retour.
De même la
puissance lumineuse du Laser d'origine (20W) est amenée artificiellement à 1KW
par un jeu de miroirs aller-retour utilisant le même principe Fabry-Perot.
Mais le plus grand
problème c'est l'environnement sismique : il faut y être totalement insensible.
C'est le but des
"super-atténuateurs" mis au point pour ce site et dont on voit à
gauche le principe.
C'est ce genre de
système qui suspend les miroirs (Payload = charge utile) afin de les isoler du
monde extérieur.
On voit sur la
courbe ci dessus à droite le gain de 1014 d'isolement à la fréquence
de 10Hz.
D'autres détails
sur Virgo : les miroirs ont un diamètre de 35cm et une épaisseur de 10cm ils
sont en silice synthétique fabriqués par IPN
à Lyon.
Les mesures
nécessitent aussi un ultra vide
pour les bras de 3km et les tours reliant ceux ci.
Les premières
mesures commencent à être faites et Alain Brillet nous présente ces premiers
résultats très encourageants.
(graphique : merci à A Brillet de me l'avoir
mis à disposition)
La courbe en noir
du bas est la courbe visée, on voit que l'on s'en approche de plus en plus.
Finalement, ce qui
est très satisfaisant est que l'instrument peut maintenant fonctionner en mode
automatique sans interruption sur de longues périodes.
LE FUTUR
DANS L'ESPACE : LISA.
Nos lecteurs
connaissent bien ce projet dont j'ai parlé dans cet
article précédent, ils peuvent s'y reporter pour plus de détails.
LISA est le premier engin spatial
composé dédié à la détection des ondes gravitationnelles. Elle va détecter les
ondes provenant d'étoiles binaires comme trous noirs ou étoiles à neutrons qui
orbitent l'une autour de l'autre qui pourraient être situées dans notre
galaxie, et aussi celles provenant de trous noirs massifs extra galactique.
LISA effectue ces recherches dans le
domaine des très basses fréquences (bien en dessous de 1Hz), ce qui était
impossible sur Terre à cause des tremblements de terre et autres vibrations du
sol. Par contre il faudra s'assurer de la position exacte des sondes spatiales
et de l'influence du vent solaire, c'est un challenge technique auquel l'ESA et
la NASA s'attaque.
L'ESA
d'ailleurs a la plus grande part dans cette aventure en effet elle fournit les
trois engins (construits par EADS Astrium)
et leur système de propulsion, les capteurs gravitationnels, certains composants
Laser et une partie de l'interférométrie. La NASA fournit le lanceur (Delta IV)
des composants pour l'interféromètre et les systèmes de communication. Elle
s'occupe aussi de l'intégration et des tests.
C'est le Goddard Space Flight Center
(Maryland) qui dirige le projet.
On voit sur le
graphique que LISA et les expériences au sol comme LIGO et VIRGO sont
complémentaires, les domaines de fréquences ne sont pas les mêmes et les
sources observables sont différentes. LISA travaille dans les ultra basse
fréquences.
En conclusion
espérons que le budget de LISA ne sera pas coupé dans le futur trop
drastiquement.
Lancement 2013!
Croisons les doigts!
POUR
ALLER PLUS LOIN.
Document pdf de
3,3 MB : L'expérience
VIRGO en français par Fabien Cavalier IN2P3 (Juin 2005) : parfait, il y a
tout sur le projet en 34 pages
Document pdf de
1,5 MB sur les source
astrophysiques des OG par Jérôme Novak (LUTH)19 pages (Juin 2005) :
quelques formules mathématiques mais super clair sur toutes ces étoiles bizarres.
Document PPT de
6MB sur "Vers
la détection des OG" par Michel Davier du LAL Orsay (Avril 2005) ,
beaucoup de formules.
Des
photos du projet Virgo.
C'est tout pour
aujourd'hui!
Bon ciel à tous
Jean Pierre
Martin www.planetastronomy.com