Astronomie gravitationnelle

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Sauter à la navigation Sauter à la recherche

L’astronomie gravitationnelle[1],[2], ou astronomie des ondes gravitationnelles, est la branche de l'astronomie qui observe les objets célestes grâce aux ondes gravitationnelles.

Histoire[modifier | modifier le code]

Les ondes gravitationnelles sont tout d'abord prédites par Albert Einstein lorsqu'il établit la théorie de la relativité générale, nouvelle théorie décrivant la gravitation en remplacement de la théorie établie par Isaac Newton au XVIIe siècle.

En 1974, Russell Alan Hulse et Joseph Hooton Taylor découvrirent le pulsar binaire PSR B1913+16, qui est constitué d'un pulsar et d'une étoile compagnon invisible mais qui est probablement aussi une étoile à neutrons. En 1979, des chercheurs ont présenté des mesures montrant une faible accélération des mouvements orbitaux du pulsar. Ce fut la première preuve que le système composé de ces deux masses mobiles émettait des ondes gravitationnelles. Hulse et Taylor partagèrent le prix Nobel de physique de 1993 « pour la découverte d'un nouveau type de pulsar, une découverte qui a ouvert de nouvelles possibilités pour l'étude de la gravitation[3] ».

Premières détections[modifier | modifier le code]

Le , la collaboration LIGO-Virgo annonce officiellement que les deux observatoires de LIGO ont détecté le des ondes gravitationnelles, événement nommé GW150914, produites par la coalescence de deux trous noirs (Virgo ne l'ayant pas détecté car en travaux)[4].

Par la suite, deux autres détections réalisées par LIGO, en collaboration avec Virgo, sont confirmées : GW151226, détectée le et GW170104, détectée le . Un autre signal, LVT151012, détecté le n'a pas été confirmé. Fin 2018, la collaboration LIGO-Virgo annonce avoir détecté au total 11 événements astronomiques[5].

Potentiel scientifique[modifier | modifier le code]

L'astronomie traditionnelle repose sur le rayonnement électromagnétique[6]. L'astronomie est née avec l'astronomie optique. Avec l'avancée des technologies, il est devenu possible d'observer d'autres parties du spectre électromagnétique, des ondes radio aux rayons gamma. Chaque nouvelle fréquence a apporté une nouvelle perspective et annoncé de nouvelles découvertes[7]. À la fin du XXe siècle, la découverte des neutrinos solaires a fondé le domaine de l'astronomie neutrino, livrant un aperçu sur des phénomènes jusqu'alors invisibles comme le fonctionnement interne du Soleil[8],[9]. L'observation des ondes gravitationnelles fournit un autre moyen de réaliser des observations[10] grâce à la mise au point des détecteurs interférométriques[11].

Les ondes gravitationnelles fournissent des informations complémentaires à celles fournies par d'autres moyens. En combinant des observations d'un événement unique en utilisant différents moyens, il est possible d'obtenir une compréhension plus complète de la source de cet événement. Les ondes gravitationnelles peuvent également être utilisées pour observer des phénomènes qui sont invisibles (ou difficilement détectables) par d'autres méthodes, comme la mesure des propriétés d'un trou noir.

Les ondes gravitationnelles peuvent être émises par de nombreux systèmes mais, pour produire un signal détectable, la source doit être composé d'objets très compacts se déplaçant à une fraction significative de la vitesse de la lumière dans le vide. La principale source est un système binaire de deux objets compacts. Ceci inclut :

  • Les systèmes binaires compacts composés de deux objets de masse stellaire en orbite rapproché comme des naines blanches, des étoiles à neutrons ou des trous noirs. Les plus larges systèmes binaires, qui ont les fréquences orbitales les plus faibles, sont une source pour les détecteurs comme LISA[12],[13]. Les systèmes binaires les plus rapprochés produisent un signal pour les détecteurs au sol comme Ligo[14]. Les détecteurs au sol peuvent potentiellement détecter les systèmes binaires contenant un trou noir de masse intermédiaire ou plusieurs centaines de masses solaires[15],[16].
  • Les systèmes binaires de trous noirs supermassifs composé de deux trous noirs de 105 à 109 masses solaires. Les trous noirs supermassifs sont trouvés au centre des galaxies. Quand des galaxies fusionnent, leurs trous noirs supermassifs fusionnent aussi[17]. Ce sont potentiellement les sources d'ondes gravitationnelles les plus fortes. Les systèmes binaires les plus massifs sont une source pour PTAs (en)[18]. Les moins massifs (environ un million de masses solaires) sont une source pour les détecteurs spatiaux comme LISA[19].
  • Les systèmes binaires composés d'un objet compact de masse stellaire orbitant autour d'un trou noir supermassif. Ce sont des sources pour les détecteurs comme LISA[19]. Les systèmes avec des excentricités orbitales importantes produisent une grande quantité d'ondes gravitationnelles quand les deux objets sont les plus proches[20] ; les systèmes avec des orbites presque circulaires émettent dans les fréquences détectées par LISA[21]. Ces systèmes binaires peuvent être observés sur de nombreuses orbites faisant d'eux d'excellentes sondes de la géométrie de l'espace-temps et permettant de réaliser des tests de la relativité générale[22].

Aux systèmes binaires, il s'ajoute d'autres sources potentielles :

Les ondes gravitationnelles interagissent seulement faiblement avec la matière, c'est pourquoi elles sont difficiles à détecter. Ce qui signifie également qu'elles peuvent voyager librement à travers l'Univers et ne sont pas absorbées ou diffusées comme les ondes électromagnétiques. Par conséquent, il est possible de les utiliser pour observer le centre de systèmes denses comme le cœur de supernovae ou le centre galactique. Il est également possible de voir plus loin dans l'histoire de l'Univers qu'avec le rayonnement électromagnétique, les débuts de l'Univers étant opaques à la lumière avant la recombinaison mais transparents aux ondes gravitationnelles.

L'habileté des ondes gravitationnelles à se déplacer librement à travers la matière signifie aussi que les observatoires d'ondes gravitationnelles, à la différence des télescopes, ne sont pas pointés vers une seule zone du ciel mais observent le ciel entier. Les observatoires étant plus sensibles dans certaines directions, il est donc avantageux de posséder un réseau d'observatoires[28].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

  1. https://www.larecherche.fr/1-lan-i-de-lastronomie-gravitationnelle
  2. https://www.pourlascience.fr/sd/cosmologie/lastronomie-gravitationnelle-est-nee-9933.php
  3. (en) « for the discovery of a new type of pulsar, a discovery that has opened up new possibilities for the study of gravitation » in Personnel de rédaction, « The Nobel Prize in Physics 1993 », Fondation Nobel, 2010. Consulté le 25 juin 2010
  4. (en) Abbott et al., « Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger », Physical Review Letters, American Physical Society, vol. 116, no 061102,‎ (lire en ligne).
  5. (en) The LIGO Scientific Collaboration and The Virgo Collaboration, « GWTC-1: A Gravitational-Wave Transient Catalog of Compact Binary Mergers Observed by LIGO and Virgo during the First and Second Observing Runs », -,‎ (lire en ligne)
  6. (en) « NSF’s LIGO Has Detected Gravitational Waves », sur nasa.gov
  7. (en) Malcolm Longair, Cosmic century: a history of astrophysics and cosmology., Cambridge University Press, (ISBN 1107669367)
  8. (en) John N. Bahcall, Neutrino Astrophysics, Cambridge, Cambridge University Press, (ISBN 052137975X)
  9. (en) John Bahcall, « How the Sun Shines », Nobel Prize,
  10. (en) B.S. Sathyaprakash et Bernard F. Schutz., « Physics, astrophysics and cosmology with gravitational waves », Living Reviews in Relativity,‎ (lire en ligne)
  11. (en) Vicky Kalogera, « The Dawn of Gravitational Wave Astrophysics », AAS Meeting, American Astronomical Society, no 233,‎ (lire en ligne)
  12. (en) Gijs Nelemans, « The Galactic gravitational wave foreground », Classical and Quantum Gravity, vol. 26, no 9,‎ , p. 094030 (DOI 10.1088/0264-9381/26/9/094030, Bibcode 2009CQGra..26i4030N, arXiv 0901.1778)
  13. (en) A Stroeer et Vecchio, A, « The LISA verification binaries », Classical and Quantum Gravity, vol. 23, no 19,‎ , S809–S817 (DOI 10.1088/0264-9381/23/19/S19, Bibcode 2006CQGra..23S.809S, arXiv astro-ph/0605227)
  14. (en) J Abadie, et al., R. Abbott, M. Abernathy, T. Accadia, F. Acernese, C. Adams, R. Adhikari, P. Ajith, B. Allen, G. Allen, E. Amador Ceron, R. S. Amin, S. B. Anderson, W. G. Anderson, F. Antonucci, S. Aoudia, M. A. Arain, M. Araya, M. Aronsson, K. G. Arun, Y. Aso, S. Aston, P. Astone, D. E. Atkinson, P. Aufmuth, C. Aulbert, S. Babak, P. Baker et G. Ballardin, « Predictions for the rates of compact binary coalescences observable by ground-based gravitational-wave detectors », Classical and Quantum Gravity, vol. 27,‎ , p. 173001 (DOI 10.1088/0264-9381/27/17/173001, Bibcode 2010CQGra..27q3001A, arXiv 1003.2480)
  15. (en) « Measuring Intermediate-Mass Black-Hole Binaries with Advanced Gravitational Wave Detectors », sur Gravitational Physics Group, University of Birmingham
  16. (en) « Observing the invisible collisions of intermediate mass black holes », sur LIGO Scientific Collaboration
  17. (en) Marta Volonteri, Haardt, Francesco et Madau, Piero, « The Assembly and Merging History of Supermassive Black Holes in Hierarchical Models of Galaxy Formation », The Astrophysical Journal, vol. 582, no 2,‎ , p. 559–573 (DOI 10.1086/344675, Bibcode 2003ApJ...582..559V, arXiv astro-ph/0207276)
  18. (en) A. Sesana, Vecchio, A. et Colacino, C. N., « The stochastic gravitational-wave background from massive black hole binary systems: implications for observations with Pulsar Timing Arrays », Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 390, no 1,‎ , p. 192–209 (DOI 10.1111/j.1365-2966.2008.13682.x, Bibcode 2008MNRAS.390..192S, arXiv 0804.4476)
  19. a et b (en) Pau Amaro-Seoane, Aoudia, Sofiane; Babak, Stanislav; Binétruy, Pierre; Berti, Emanuele; Bohé, Alejandro; Caprini, Chiara; Colpi, Monica; Cornish, Neil J; Danzmann, Karsten; Dufaux, Jean-François; Gair, Jonathan; Jennrich, Oliver; Jetzer, Philippe; Klein, Antoine; Lang, Ryan N; Lobo, Alberto; Littenberg, Tyson; McWilliams, Sean T; Nelemans, Gijs; Petiteau, Antoine; Porter, Edward K; Schutz, Bernard F; Sesana, Alberto; Stebbins, Robin; Sumner, Tim; Vallisneri, Michele; Vitale, Stefano; Volonteri, Marta; Ward, Henry, Stanislav Babak, Pierre Binétruy, Emanuele Berti, Alejandro Bohé, Chiara Caprini, Monica Colpi, Neil J. Cornish, Karsten Danzmann, Jean-François Dufaux, Jonathan Gair, Oliver Jennrich, Philippe Jetzer, Antoine Klein, Ryan N. Lang, Alberto Lobo, Tyson Littenberg, Sean T. McWilliams, Gijs Nelemans, Antoine Petiteau, Edward K. Porter, Bernard F. Schutz, Alberto Sesana, Robin Stebbins, Tim Sumner, Michele Vallisneri, Stefano Vitale, Marta Volonteri et Henry Ward, « Low-frequency gravitational-wave science with eLISA/NGO », Classical and Quantum Gravity, vol. 29, no 12,‎ , p. 124016 (DOI 10.1088/0264-9381/29/12/124016, Bibcode 2012CQGra..29l4016A, arXiv 1202.0839)
  20. (en) C. P. L. Berry et Gair, J. R., « Observing the Galaxy's massive black hole with gravitational wave bursts », Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 429, no 1,‎ , p. 589–612 (DOI 10.1093/mnras/sts360, Bibcode 2013MNRAS.429..589B, arXiv 1210.2778)
  21. (en) Pau Amaro-Seoane, Gair, Jonathan R, Freitag, Marc, Miller, M Coleman, Mandel, Ilya, Cutler, Curt J et Babak, Stanislav, « Intermediate and extreme mass-ratio inspirals—astrophysics, science applications and detection using LISA », Classical and Quantum Gravity, vol. 24, no 17,‎ , R113–R169 (DOI 10.1088/0264-9381/24/17/R01, Bibcode 2007CQGra..24R.113A, arXiv astro-ph/0703495)
  22. (en) Jonathan Gair, Vallisneri, Michele, Larson, Shane L. et Baker, John G., « Testing General Relativity with Low-Frequency, Space-Based Gravitational-Wave Detectors », Living Reviews in Relativity, vol. 16,‎ , p. 7 (DOI 10.12942/lrr-2013-7, Bibcode 2013LRR....16....7G, arXiv 1212.5575)
  23. (en) Kei Kotake, Sato, Katsuhiko et Takahashi, Keitaro, « Explosion mechanism, neutrino burst and gravitational wave in core-collapse supernovae », Reports on Progress in Physics, vol. 69, no 4,‎ , p. 971–1143 (DOI 10.1088/0034-4885/69/4/R03, Bibcode 2006RPPh...69..971K, arXiv astro-ph/0509456)
  24. (en) B. Abbott, et al., R. Adhikari, J. Agresti, P. Ajith, B. Allen, R. Amin, S. Anderson, W. Anderson, M. Arain, M. Araya, H. Armandula, M. Ashley, S Aston, P. Aufmuth, C. Aulbert, S. Babak, S. Ballmer, H. Bantilan, B. Barish, C. Barker, D. Barker, B. Barr, P. Barriga, M. Barton, K. Bayer, K. Belczynski, S. Berukoff, J. Betzwieser et P. Beyersdorf, « Searches for periodic gravitational waves from unknown isolated sources and Scorpius X-1: Results from the second LIGO science run », Physical Review D, vol. 76, no 8,‎ , p. 082001 (DOI 10.1103/PhysRevD.76.082001, Bibcode 2007PhRvD..76h2001A, arXiv gr-qc/0605028)
  25. (en) « Searching for the youngest neutron stars in the galaxy », sur LIGO Scientific Collaboration
  26. (en) Pierre Binétruy, Bohé, Alejandro, Caprini, Chiara et Dufaux, Jean-François, « Cosmological backgrounds of gravitational waves and eLISA/NGO: phase transitions, cosmic strings and other sources », Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, vol. 2012, no 6,‎ , p. 027–027 (DOI 10.1088/1475-7516/2012/06/027, Bibcode 2012JCAP...06..027B, arXiv 1201.0983)
  27. (en) Thibault Damour et Vilenkin, Alexander, « Gravitational radiation from cosmic (super)strings: Bursts, stochastic background, and observational windows », Physical Review D, vol. 71, no 6,‎ , p. 063510 (DOI 10.1103/PhysRevD.71.063510, Bibcode 2005PhRvD..71f3510D, arXiv hep-th/0410222)
  28. (en) Bernard F Schutz, « Networks of gravitational wave detectors and three figures of merit », Classical and Quantum Gravity, vol. 28, no 12,‎ , p. 125023 (DOI 10.1088/0264-9381/28/12/125023, Bibcode 2011CQGra..28l5023S, arXiv 1102.5421)

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Voir aussi[modifier | modifier le code]