Astronomie

LIGO détecterait-il une collision frontale ?

LIGO détecterait-il une collision frontale ?

Supposons que deux trous noirs entrent en collision frontale. En d'autres termes, ils n'étaient pas en orbite l'un autour de l'autre avant la collision. Je sais que c'est peu probable. Supposons en outre que leurs tailles et leur distance par rapport à la Terre sont similaires aux collisions passées détectées par LIGO.

Ma compréhension est que les ondes gravitationnelles détectables sont causées par des objets massifs subissant des accélérations massives et que jusqu'à présent, les détections ont été d'objets en collision en orbite autour de plusieurs fois en une fraction de seconde.

Je suppose qu'une collision frontale créerait une seule "impulsion" gravitationnelle au lieu d'une onde. Je ne sais pas si "impulsion" est le bon mot pour cela. Cette impulsion serait-elle détectable par LIGO ?


Il y a deux problèmes : y aurait-il des ondes gravitationnelles à détecter et LIGO les détecterait-il.

Sur le premier problème, les ondes gravitationnelles sont quadripolaires, et un système à symétrie cylindrique n'en produira pas. (Plus précisément, la seconde dérivée temporelle du moment quadripolaire du tenseur d'énergie de contrainte d'un système isolé doit être différente de zéro pour qu'il émette un rayonnement gravitationnel.) Ainsi, une collision frontale de trous noirs tout aussi massifs ne produirait pas de gravité gravitationnelle significative. vagues. Si les BH étaient de masses différentes, ou si la collision n'était pas tout à fait frontale, des ondes gravitationnelles seraient produites.

Sur le deuxième problème, il y a au moins trois façons dont LIGO pourrait les manquer. Premièrement, ils pourraient tout simplement être trop faibles. Une fusion par rotation est l'un des meilleurs moyens de produire des ondes gravitationnelles, et une collision frontale est l'une des pires (lors d'une fusion BH, bien sûr).

Une deuxième façon qu'il pourrait manquer est si la fusion est dans l'un de ses angles morts. Chaque détecteur LIGO a des angles morts et il n'y a aucune règle qui dit qu'une fusion BH ne peut pas être dans l'un d'entre eux. (En fait, la fusion d'étoiles à neutrons a été localisée à l'aide des angles morts. Le troisième détecteur d'ondes gravitationnelles (GW), Virgo, en Italie, n'a pas détecté la fusion d'étoiles à neutrons. ont, ce qui signifie que la fusion était dans l'un des angles morts de la Vierge, ce qui a aidé à affiner son emplacement. Un GW détecté dans un seul détecteur serait répertorié comme un GW possible, mais pas comme une détection, car il pourrait simplement être terrestre ingérence.

Mais une autre façon qu'il pourrait manquer est si LIGO n'avait pas recherché la forme d'onde de ce type de fusion. La relativité générale nous permet de calculer très précisément le signal GW de tout type de collision que nous pensons probable. Étant donné que les signaux GW sont si faibles, la première étape de la détection consiste à faire correspondre les formes d'onde GW calculées aux données et à rechercher des correspondances. Une fois qu'une correspondance est trouvée, le signal est analysé plus en détail, mais ils doivent savoir où chercher. Si personne ne s'attendait à la forme d'onde et qu'elle n'était pas assez forte pour sortir des données et crier « Me voici, mannequin ! » il pourrait être manqué. Étant donné que les collisions frontales devraient être très rare, il est possible qu'elles ne soient pas dans la bibliothèque de formes d'onde que LIGO vérifie.


La forme d'onde de l'inspiration binaire était d'environ 100 ms avec un pic pour chaque rotation, environ 10 ondes/rotations ont été mesurées, allant de 30 à 200 Hz. La voix féminine moyenne a une fréquence fondamentale d'environ 200 Hz, pour avoir une idée, et une fourche typique est d'environ 440 Hz.

La forme d'onde d'une collision frontale serait d'environ 5 ms, probablement moins, un peu comme un son de claquement.

Il serait indiscernable du bruit de fond. Les sons constitués d'un seul pic sont comme des clichés sur un vinyle. vous mettriez au défi LIGO de détecter un cliché sur un disque vinyle tous les hextillions d'années.

Une collision directe de masse solaire bh est quelque chose comme 1 dans un hextillion d'années pour l'univers entier, parce que les singularités sont aussi grandes que des atomes, distantes de 100ds de kms voyageant dans le genre de gamme 20kmps.


Ondes gravitationnelles détectées 100 ans après la prédiction d'Einstein | Nouvelles | Industrie

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Regardez une vidéo de l'ancien directeur de la NCSA Larry Smarr et de l'actuel directeur de la NCSA, Ed Seidel, discutant de leur travail sur la collision des trous noirs.

Les détecteurs LIGO à Livingston, Louisiane, et Hanford, Wash, se sont séparés de 1 865 milles. Il a fallu environ 7 millisecondes à l'onde gravitationnelle pour couvrir la distance entre les deux.

Les panneaux montrent l'événement d'onde gravitationnelle (GW) GW150914 (après sa détection le 14 septembre 2015) tel qu'observé par les détecteurs LIGO Hanford (H1) et Livingston (L1).

Panneau supérieur: Séries temporelles filtrées avec un filtre passe-bande 35-350 Hz pour supprimer les grandes fluctuations en dehors de la bande de fréquence la plus sensible des détecteurs. Les panneaux montrent la souche GW en H1 et L1. GW150914 est arrivé en premier à L1 et environ 7 millisecondes plus tard à H1.

Deuxième panneau : diverses reconstructions des formes d'onde dans la bande 35-350Hz.

Troisième panneau : le bruit résiduel après que la forme d'onde de relativité numérique filtrée est soustraite de la série temporelle de détection filtrée.

Panneau du bas: Les graphiques montrent comment la déformation des ondes gravitationnelles dans chaque détecteur LIGO varie en fonction du temps et de la fréquence. Le temps est mesuré en secondes et la fréquence en Hertz, ou nombre de cycles de forme d'onde par seconde. Les tracés montrent comment l'événement d'onde gravitationnelle GW150914 balaie de 35 Hz à 150 Hz en deux dixièmes de seconde.

Statistiques sur l'onde gravitationnelle détectée.

Ondes gravitationnelles détectées 100 ans après la prédiction d'Einstein

Pour la première fois, des scientifiques ont observé des ondulations dans le tissu de l'espace-temps appelées ondes gravitationnelles, arrivant sur la terre à partir d'un événement cataclysmique dans l'univers lointain. Cela confirme une prédiction majeure de la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein de 1915 et ouvre une nouvelle fenêtre sans précédent sur le cosmos.

Les ondes gravitationnelles transportent des informations sur leurs origines dramatiques et sur la nature de la gravité qui ne peuvent pas être obtenues autrement. Les physiciens ont conclu que les ondes gravitationnelles détectées ont été produites pendant la dernière fraction de seconde de la fusion de deux trous noirs pour produire un seul trou noir en rotation plus massif. Cette collision de deux trous noirs avait été prédite mais jamais observée.

Les ondes gravitationnelles ont été détectées le 14 septembre 2015 à 5 h 51, heure avancée de l'Est (9 h 51 UTC) par les deux détecteurs jumeaux de l'interféromètre laser Gravitational-wave Observatory (LIGO), situés à Livingston, en Louisiane, et Hanford, Washington. Les observatoires LIGO sont financés par la National Science Foundation et ont été conçus, construits et exploités par Caltech et le Massachusetts Institute of Technology. La découverte, acceptée pour publication dans la revue Lettres d'examen physique, a été réalisée par la collaboration scientifique LIGO (qui comprend la collaboration GEO et le consortium australien pour l'astronomie gravitationnelle interférométrique) et la collaboration Virgo en utilisant les données des deux détecteurs LIGO.

Le rôle du NCSA dans cette découverte

Il y a trente ans, le National Center for Supercomputing Applications (NCSA) a été fondé à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign par Larry Smarr en partant du principe que la modélisation numérique de problèmes scientifiques, tels que la collision de trous noirs, nécessitait un calcul haute performance. pour progresser. La thèse de doctorat de Smarr portait elle-même sur la modélisation de la collision frontale de deux trous noirs. En 2014, Smarr a reçu le prix Golden Goose pour souligner l'impact de ses recherches sur les trous noirs sur la création du NCSA et du programme de centres de calcul intensif NSF qui a conduit à la révolution de l'Internet public via la création du navigateur Web NCSA Mosaic, le premier navigateur d'avoir des fonctionnalités visuelles comme des icônes, des signets et des images, et était facile à utiliser.

Au NCSA, Smarr a formé un groupe numérique, dirigé par Edward Seidel&mdash, l'actuel directeur du NCSA. Le groupe est rapidement devenu un leader dans l'application des superordinateurs aux problèmes de trous noirs et d'ondes gravitationnelles. Par exemple, en 1994, la toute première simulation tridimensionnelle de deux trous noirs en collision fournissant des formes d'ondes gravitationnelles calculées a été réalisée au NCSA par ce groupe en collaboration avec des collègues de l'Université de Washington.

Le NCSA en tant que centre a continué à prendre en charge les problèmes les plus complexes de la relativité numérique et de l'astrophysique relativiste, notamment en travaillant avec plusieurs groupes traitant des modèles de sources d'ondes gravitationnelles vues par LIGO dans cette découverte. Des simulations encore plus complexes seront nécessaires pour les futures découvertes anticipées telles que les collisions d'étoiles à neutrons et de trous noirs ou d'explosions de supernovae.

Le NCSA a également joué un rôle dans le développement des outils nécessaires à la simulation des systèmes relativistes. Les travaux du groupe NCSA de Seidel ont conduit au développement de Cactus Framework, un cadre modulaire et collaboratif pour le calcul parallèle qui, depuis 1997, a soutenu les relativistes numériques ainsi que d'autres disciplines développant des applications à exécuter sur des superordinateurs au NCSA et ailleurs. Construit sur le framework Cactus, le kit d'outils Einstein soutenu par la NSF et développé à Georgia Tech, RIT, LSU, AEI, Perimeter Institute et ailleurs prend désormais en charge de nombreuses sources de modélisation de groupes de relativité numérique importantes pour LIGO sur le supercalculateur NCSA Blue Waters.

"Cette annonce historique est très spéciale pour moi. Ma carrière s'est centrée sur la compréhension de la nature des systèmes de trous noirs, de mes travaux de recherche en relativité numérique, à la constitution d'équipes collaboratives et de technologies pour la recherche scientifique, puis d'avoir également l'honneur d'être impliqué à LIGO pendant mon rôle de directeur adjoint des mathématiques et des sciences physiques de la NSF. Je ne pourrais pas être plus enthousiaste à l'idée que le domaine passe à une nouvelle phase », a déclaré Seidel, qui est également professeur fondateur de physique et professeur d'astronomie à l'Illinois.

Gabrielle Allen, professeure d'astronomie à l'Illinois et directrice associée du NCSA, a précédemment dirigé le développement du cadre Cactus et de la boîte à outils Einstein. « La NCSA a joué un rôle essentiel dans l'inspiration et le soutien au développement de Cactus pour l'astrophysique. Nous avons organisé notre premier atelier Cactus à la NCSA et la participation du personnel à nos projets a été fondamentale pour pouvoir démontrer non seulement une nouvelle science, mais également de nouvelles technologies et approches informatiques, " dit Allen.

Eliu Huerta, membre de la collaboration scientifique LIGO depuis 2011 et actuel chef du groupe de relativité au NCSA, est co-auteur de l'article qui sera publié dans Lettres d'examen physique. Huerta travaille à l'interface de la relativité analytique et numérique, se spécialisant dans le développement de formes d'ondes modélisées pour la détection et l'interprétation des signaux d'ondes gravitationnelles. Huerta utilise ces modèles pour déduire les propriétés astrophysiques des systèmes binaires compacts et faire la lumière sur les environnements dans lesquels ils se forment et fusionnent.

"La première observation directe d'ondes gravitationnelles à partir d'un système binaire de trous noirs inaugure officiellement le domaine de l'astronomie des ondes gravitationnelles. Il n'y a pas de meilleure façon de célébrer le premier centenaire de la prédiction d'Einstein sur les ondes gravitationnelles. Nous pouvons volontiers dire qu'Einstein a raison, et que le magnifique cadre mathématique qu'il a développé pour décrire la gravité est valable même dans les environnements les plus extrêmes. Une nouvelle ère a commencé, et nous serons heureux de découvrir des objets astrophysiques dont nous n'avons jamais rêvé », a déclaré Huerta.

Stuart Shapiro, professeur de physique et d'astronomie à l'Illinois, a été nommé chercheur scientifique au NCSA par Smarr il y a deux décennies. Grand expert de la théorie qui sous-tend la recherche des ondes gravitationnelles, il a développé des outils logiciels capables de simuler sur des superordinateurs NCSA comme Blue Waters la fusion très binaire des trous noirs et les ondes gravitationnelles désormais détectées par LIGO. Shapiro a déclaré qu'il était ravi de la découverte.

"Cela présente la confirmation la plus forte à ce jour de la théorie de la relativité générale d'Einstein et la preuve la plus claire à ce jour de l'existence des trous noirs. Les ondes gravitationnelles que LIGO mesure ne peuvent être générées qu'en fusionnant les trous noirs et les objets relativistes mdashexotiques à partir desquels rien, y compris la lumière, ne peut échapper à leur intérieur'', a déclaré Shapiro.

"Travailler au NCSA aide à ouvrir des fenêtres sur l'univers", a déclaré Peter Schiffer, vice-chancelier pour la recherche à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. « C'est une découverte fondamentale merveilleuse, et il est passionnant que les capacités de calcul haute performance que nous avons développées pour relever des défis comme celui-ci soient également utilisées pour résoudre d'autres problèmes de société importants. »

Les trous noirs se forment lorsque des étoiles massives subissent un effondrement gravitationnel catastrophique. Le champ gravitationnel de ces objets ultra compacts est si fort que même la lumière ne peut s'en échapper.

Les ondes gravitationnelles sont générées lorsque des objets ultra compacts, des trous noirs, des étoiles à neutrons ou des naines blanches, sont accélérés à des vitesses qui représentent une fraction significative de la vitesse de la lumière. Les ondes gravitationnelles se couplent faiblement à la matière, ce qui signifie qu'elles peuvent voyager sans entrave dans tout l'Univers et que seuls des détecteurs extrêmement sensibles tels que LIGO peuvent les détecter.

La recherche LIGO est menée par la LIGO Scientific Collaboration, un groupe de plus de 1 000 scientifiques d'universités des États-Unis et de 14 autres pays. Plus de 90 universités et instituts de recherche de la collaboration développent une technologie de détection et analysent les données. Environ 250 étudiants sont des membres importants de la collaboration.

Le réseau de détecteurs de la LIGO Scientific Collaboration comprend les interféromètres LIGO et le détecteur GEO600. L'équipe GEO comprend des scientifiques du Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, AEI), de la Leibniz Universität Hannover, ainsi que des partenaires de l'Université de Glasgow, de l'Université de Cardiff, de l'Université de Birmingham, d'autres universités du Royaume-Uni et l'Université des îles Baléares en Espagne.

LIGO a été initialement proposé comme moyen de détecter ces ondes gravitationnelles dans les années 1980 par Rainer Weiss, professeur de physique, émérite, du MIT Kip Thorne, Richard P. Feynman de Caltech, professeur de physique théorique, émérite et Ronald Drever, professeur de physique, émérite , également de Caltech.

La recherche Virgo est menée par la collaboration Virgo, composée de plus de 250 physiciens et ingénieurs appartenant à 19 groupes de recherche européens différents : six du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en France huit de l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie deux aux Pays-Bas avec Nikhef le Wigner RCP en Hongrie le groupe POLGRAW en Pologne et l'European Gravitational Observatory (EGO), le laboratoire hébergeant le détecteur Virgo près de Pise en Italie.

La découverte a été rendue possible grâce aux capacités améliorées d'Advanced LIGO, une mise à niveau majeure qui augmente la sensibilité des instruments par rapport aux détecteurs LIGO de première génération, permettant une forte augmentation du volume de l'univers sondé&mdashand la découverte des ondes gravitationnelles au cours de sa première parcours d'observation.

La National Science Foundation des États-Unis apporte un soutien financier à Advanced LIGO. Des organismes de financement en Allemagne (Max Planck Society), au Royaume-Uni (Science and Technology Facilities Council, STFC) et en Australie (Australian Research Council) ont également pris des engagements importants dans le projet. Plusieurs des technologies clés qui ont rendu Advanced LIGO tellement plus sensible ont été développées et testées par la collaboration allemande UK GEO.

D'importantes ressources informatiques ont été fournies par le cluster AEI Hannover Atlas, le laboratoire LIGO, l'Université de Syracuse et l'Université du Wisconsin-Milwaukee. Plusieurs universités ont conçu, construit et testé des composants clés pour Advanced LIGO : l'Université nationale australienne, l'Université d'Adélaïde, l'Université de Floride, l'Université de Stanford, l'Université de Columbia dans la ville de New York et l'Université d'État de Louisiane.


Les trous noirs entrent en collision et les carquois de gravité

Dans l'effort le plus précis à ce jour pour détecter les ondes gravitationnelles - les frémissements de l'espace-temps prédits par la théorie de la relativité générale d'Einstein - la National Science Foundation à la fin des années 1990 a sculpté deux grands V, l'un dans le paysage aride de central de l'État de Washington, l'autre parmi les pins à l'extérieur de Baton Rouge, La.

Les tunnels font partie de l'observatoire des ondes gravitationnelles par interféromètre laser, connu sous le nom de LIGO. Si quelque chose d'astronomiquement violent, comme une collision de deux trous noirs, ébranle le tissu de l'univers à moins de 300 millions d'années-lumière de la Terre, une étendue qui englobe plusieurs milliers de galaxies, LIGO devrait voir les ondulations gravitationnelles qui en résultent.

L'observatoire est suffisamment sensible pour détecter un changement de moins d'un dix-quadrillionième de pouce, soit environ un millième du diamètre d'un proton, dans la longueur des tunnels de 2,5 milles de long.

Après plusieurs années de tests et de réglages – des amortisseurs spéciaux ont dû être installés sur le site de Louisiane pour contrer les vibrations générées lorsque des bûcherons à proximité abattent des arbres, par exemple – l'observatoire a commencé à fonctionner à plein régime en novembre. Les centres ont coûté près de 300 millions de dollars à construire et 30 millions de dollars par an à exploiter.

Les données à ce jour, rapportées la semaine dernière lors d'une réunion de l'American Physical Society à Dallas, ne contiennent rien d'intéressant. En fait, les scientifiques ne seraient pas surpris si l'exécution initiale de l'expérience au cours de l'année suivante ne révélait rien du tout.

"Je dormirais toujours bien sur la relativité générale", a déclaré Peter R. Saulson, professeur de physique à Syracuse et porte-parole de l'observatoire.

Jay Marx, directeur exécutif de LIGO, a estimé que les chances de succès étaient de « 25 %, si la nature était aimable ».

La relativité générale, formulée il y a 90 ans par Einstein pour expliquer les propriétés de l'espace et du temps, correspond bien aux mesures de la gravité dans et autour du système solaire. Mais les prédictions sur ce qui se passe autour des trous noirs et d'autres endroits où la gravité est extrêmement forte restent en grande partie non testées. L'une des prédictions est que dans de telles conditions, des ondes gravitationnelles importantes seront produites.

Avec de nouvelles recherches, les scientifiques ont une meilleure idée de ce que LIGO devrait rechercher. Des chercheurs dirigés par Joan M. Centrella, chef du laboratoire d'astrophysique gravitationnelle du Goddard Space Flight Center de la NASA, ont annoncé le mois dernier qu'ils avaient réussi à calculer la forme des ondes gravitationnelles qui devraient se produire lorsque deux trous noirs, en orbite l'un autour de l'autre, fusionner.

"Ce n'est pas quelque chose d'inventé comme dans un film de science-fiction", a déclaré le Dr Centrella lors d'une conférence de presse annonçant les résultats. "Au contraire, nous sommes convaincus que ces résultats sont la vraie affaire, que nous avons la véritable empreinte des ondes gravitationnelles prédite par Einstein pour la fusion du trou noir."

Les équations de la relativité générale peuvent être facilement écrites mais sont notoirement difficiles à résoudre. Les astrophysiciens ont pu simuler la collision frontale de deux trous noirs il y a trois décennies, mais le calcul des trajectoires des trous noirs en orbite et de leur fusion violente s'est avéré beaucoup plus difficile.

"Cela a été une quête de type Saint Graal au cours des 30 dernières années", a déclaré le Dr Centrella.

Les simulations du Dr Centrella contiennent encore quelques simplifications qui ne reflètent pas les attributs des paires de trous noirs réelles : les deux trous noirs ont la même masse, et aucun des deux ne tourne. Les calculs prédisaient, par exemple, que 4 pour cent de la masse des trous noirs devraient être convertis en ondes gravitationnelles.

"C'est un nombre très important", a déclaré le Dr Saulson. "Cela nous dit que ces ondes gravitationnelles vont être à peu près aussi fortes que nous l'espérions. " Il a ajouté, " Et cela a rendu ceux d'entre nous qui travaillons sur les détecteurs très excités, ce qui fait qu'il semble plus probable que nous tombions sur quelque chose."

La théorie de la relativité générale d'Einstein a changé l'idée de la gravité d'une simple force faisant glisser des pommes d'un arbre à un puzzle de géométrie. Imaginez une feuille de caoutchouc tendue horizontalement, puis lancez une boule de bowling et une balle de tennis dessus. La boule de bowling la plus lourde s'enfonce plus profondément et la balle de tennis se déplacera vers la boule de bowling non pas à cause d'une attraction directe entre les deux, mais parce que la balle de tennis roule dans la dépression autour de la boule de bowling.

Dans cette analogie bidimensionnelle de l'espace-temps, on peut aussi imaginer une soudaine collision d'objets créant des ondulations qui glissent sur la feuille. Ce sont les ondes gravitationnelles que LIGO espère détecter.

Sur chaque site, un faisceau laser généré à la base du V est divisé en deux et tiré à travers des tunnels enfouis le long de chaque bras de 2,5 milles de long. La lumière rebondit dans les deux tunnels. Lorsqu'une onde gravitationnelle passe à grande vitesse, elle devrait étirer et réduire la distance parcourue par les faisceaux laser, provoquant le scintillement de la lumière laser dans un détecteur à la base du V.

Parce que les instruments sont sensibles à de minuscules perturbations, seuls les signaux vus par les deux détecteurs LIGO, distants de près de 3 000 kilomètres, seraient probablement convaincants pour les scientifiques.

Le scepticisme quant à savoir si LIGO détectera réellement les ondes gravitationnelles ne vient pas de questions sur la relativité générale - "Les gens seraient incroyablement surpris si ce n'était pas vrai", a déclaré le Dr Marx - mais l'incertitude quant à la fréquence à laquelle les événements qui créent des ondes gravitationnelles se produisent dans l'univers. .

Les paires de trous noirs en orbite devraient être le résultat final de systèmes stellaires constitués de deux étoiles massives. Au fil du temps, les trous noirs se sont enroulés en spirale vers l'intérieur et ont fini par entrer en collision. Les astronomes peuvent voir de nombreuses paires d'étoiles massives virevolter dans le ciel, mais ils ne peuvent pas être sûrs qu'elles finiront par s'effondrer en paires de trous noirs.

Parce que les astrophysiciens ne comprennent pas parfaitement comment vieillissent les étoiles, "Il existe de multiples facteurs d'incertitude", a déclaré Vassiliki Kalogera, professeur de physique et d'astronomie à la Northwestern University. "Nous ne savons pas que les trous noirs binaires existent."

Du côté optimiste, ses calculs suggèrent que LIGO pourrait détecter jusqu'à 10 fusions de trous noirs par an. Mais les calculs sont encore incertains par un facteur de 100, ce qui signifie qu'à l'extrémité pessimiste, le taux de fusions de trous noirs détectables peut n'être que d'un tous les 50 ans environ.

Un événement plus courant est la fusion d'étoiles à neutrons, les noyaux denses et brûlés laissés par certaines étoiles en explosion. La preuve la plus convaincante à ce jour des ondes gravitationnelles a été l'observation en 1974 par deux physiciens de Princeton, Joseph H. Taylor et son étudiant Russell A. Hulse. Ils ont vu une paire d'étoiles à neutrons pulsées se rapprocher l'une de l'autre. La quantité d'énergie perdue dans les orbites en décomposition s'est avérée correspondre à la quantité d'énergie attendue dans les ondes gravitationnelles.

Cependant, les ondes gravitationnelles produites par les étoiles à neutrons en orbite sont trop faibles pour être détectées par LIGO. Et même lorsque les étoiles à neutrons s'entrechoquent, le cataclysme n'est pas aussi violent que la fusion des trous noirs, donc une collision d'étoiles à neutrons devrait se produire beaucoup plus près pour que LIGO puisse la voir. Les calculs du Dr Kalogera suggèrent que l'observatoire verra une fusion d'étoiles à neutrons une fois tous les sept ou huit ans, au mieux.

Pour que LIGO puisse détecter régulièrement les ondes gravitationnelles, les instruments auront besoin d'une mise à niveau proposée de 200 millions de dollars, qui comprend des lasers plus puissants, pour augmenter leur sensibilité d'un facteur 10, a déclaré le Dr Marx.

Les astronomes espèrent que LIGO et ses successeurs, ainsi que des détecteurs similaires en Europe et au Japon, deviendront un nouveau type de télescope. Si la détection des ondes gravitationnelles devient courante, les astronomes devraient pouvoir déduire de nombreuses propriétés physiques des trous noirs et des étoiles à neutrons. Ils peuvent également découvrir que de tels objets sont plus fréquents dans certains types de galaxies.

L'observatoire amélioré pourrait également être en mesure de détecter les ondes gravitationnelles produites par l'explosion d'étoiles ou même les réverbérations du Big Bang il y a 13,6 milliards d'années.

Au cours de la prochaine décennie, la NASA et l'Agence spatiale européenne espèrent lancer un détecteur d'ondes gravitationnelles basé dans l'espace appelé Laser Interferometer Space Antenna, ou LISA. Composé de trois satellites volant autour du soleil dans la formation d'un triangle équilatéral distant de 3,1 millions de kilomètres, LISA serait capable de détecter des ondes gravitationnelles avec des longueurs d'onde beaucoup plus grandes, comme celles produites lorsque les méga-trous noirs au centre des galaxies fusionnent.

Pour l'instant, les scientifiques attendent leur première onde gravitationnelle.

"Nous espérons tous avoir de la chance", a déclaré Gabriela González, professeur de physique à l'État de Louisiane et scientifique du LIGO. "Même si nous ne le sommes pas, nous en saurons plus sur la nature."


Qu'est-ce que LIGO ?

Contrairement à d'autres observatoires astronomiques, qui collectent la lumière des étoiles à travers des lentilles rondes, LIGO est ce que CalTech appelle un observatoire « aveugle », ce qui signifie qu'il n'a pas besoin de lumière pour effectuer ses observations. LIGO est divisé en deux sites d'observation distincts - l'un dans l'État de Washington et l'autre en Louisiane - qui disposent tous deux d'un instrument super sensible appelé interféromètre de Michelson.

Voici ce qui se passe lorsqu'une onde gravitationnelle frappe LIGO, selon la NASA :

  • Une onde gravitationnelle causée par une collision cosmique passe par la Terre
  • En passant, il serre et étire l'espace
  • LIGO a deux bras tendus (chacun de 4 kilomètres de long) qui se croisent de manière asymétrique - c'est l'interféromètre de Michelson
  • Cet étirement de l'espace provoque un léger changement de longueur des bras du LIGO, ce qu'il détecte à l'aide de lasers et de miroirs réfléchissants.

Les interféromètres Michelson peuvent être assez petits pour tenir dans un laboratoire, mais dans le cas des LIGO, ils sont plus grands qu'un terrain de football et recouverts d'acier et de béton.

En plus de détecter les ondes gravitationnelles en 2015, LIGO a également aidé les scientifiques à détecter une « kilonova » (c'est-à-dire une fusion de trous noirs) en 2017.

Qu'ont-ils fait - Lorsqu'il s'agit de refroidir réellement un objet jusqu'à près du zéro absolu - ce qui correspond également à son état le plus bas d'énergie ou son état fondamental - Sudhir dit que l'équipe a été confrontée à un problème "la poule et l'œuf".

« Si vous avez besoin de refroidir [quelque chose], vous devez extraire de l'énergie de l'objet et le faire plus rapidement que la vitesse à laquelle l'énergie pénètre dans l'objet depuis son environnement », explique Sudhir.

"Cependant, à mesure que l'objet se refroidit, de plus petites perturbations de l'énergie de l'environnement peuvent provoquer une injection d'énergie proportionnellement plus importante dans l'objet. Ainsi, à mesure que vous refroidissez, vous devez extraire de l'énergie encore plus rapidement pour pouvoir même maintenir cette température. »

Ceci est encore compliqué par le besoin d'un objet plus froid pour extraire l'énergie en premier lieu. Pour résoudre ce problème, Sudhir dit que leur équipe a utilisé quelque chose appelé "refroidissement par rétroaction".

"L'idée est d'utiliser des lasers pour surveiller très précisément comment l'objet bouge en réponse à l'énergie provenant de l'environnement, puis d'utiliser cette information pour annuler immédiatement ce mouvement aléatoire - un peu comme un casque antibruit", explique Sudhir .

En utilisant cette technique, les chercheurs ont pu refroidir l'oscillateur de 10 kilogrammes à une température qui, selon Sudhir, pourrait être utilisée pour aider à détecter les effets de la gravité sur la mécanique quantique.

Et après - Bien que les résultats de l'équipe soient incroyablement prometteurs, Sudhir affirme que les futures incarnations de LIGO - qui auraient un interféromètre de 40 km de long et des miroirs refroidis par cryogénie - seront un atout encore plus important pour cette exploration.

En fin de compte, Sudhir espère que des expériences comme celles-ci lui permettront de faire un pas de plus vers la réponse à des questions qui l'ont autrefois intrigué en tant que jeune étudiant en physique.

"Certaines des questions qui sont sondées par ces expériences sont assez fondamentales - en fait des questions que la plupart des étudiants en physique pourraient être amenés à poser lorsqu'ils rencontrent la physique quantique pour la première fois", dit-il. "Je l'ai fait aussi, il y a une décennie maintenant, j'ai la chance de poser la même question à la nature à travers une expérience."

Abstrait: Le mouvement d'un objet mécanique, même à taille humaine, devrait être régi par les règles de la mécanique quantique. Les amener à un état quantique est cependant difficile car l'environnement thermique masque toute signature quantique du mouvement de l'objet. L'environnement thermique masque également les effets des modifications proposées de la mécanique quantique à grande échelle de masse. Nous avons préparé le mouvement du centre de masse d'un oscillateur mécanique de 10 kilogrammes dans un état avec une occupation moyenne des phonons de 10,8. La réduction de la température, de la température ambiante à 77 nanokelvin, est proportionnelle à une suppression de 11 ordres de grandeur de la contre-action quantique par rétroaction et à une augmentation de 13 ordres de grandeur de la masse d'un objet préparé à proximité de son mouvement. état fondamental. Notre approche permettra de sonder la gravité sur des systèmes quantiques massifs.


Les astronomes voient un spectacle de lumière associé aux ondes gravitationnelles

Marquant le début d'une nouvelle ère en astrophysique, des scientifiques ont détecté pour la première fois des ondes gravitationnelles et des rayonnements électromagnétiques, ou lumière, provenant du même événement. Cette découverte historique révèle la fusion de deux étoiles à neutrons, les noyaux denses d'étoiles mortes, et résout le débat sur la façon dont les éléments les plus lourds tels que le platine et l'or ont été créés dans l'Univers.

Pour parvenir à ce résultat remarquable, des milliers de scientifiques du monde entier ont travaillé fébrilement en utilisant les données des télescopes au sol et dans l'espace. Les chercheurs du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) à Cambridge, Mass., ont joué un rôle central. Une série de huit articles dirigés par des astronomes du CfA et leurs collègues détaille l'histoire complète des conséquences de cet événement et examine des indices sur son origine.

"Il est difficile de décrire notre enthousiasme et notre objectif historique au cours des deux derniers mois", a déclaré le chef de l'équipe, Edo Berger de CfA. "C'est un moment unique dans une carrière - nous avons réalisé un rêve de scientifiques qui existe depuis des décennies."

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans l'espace-temps causées par le mouvement accéléré d'objets célestes massifs. Ils ont d'abord été prédits par la théorie de la relativité générale d'Einstein. L'Observatoire avancé des ondes gravitationnelles par interféromètre laser (LIGO) a effectué la première détection directe d'ondes gravitationnelles en septembre 2015, lorsque la fusion de deux trous noirs de masse stellaire a été découverte.

Le 17 août 2017, à 8 h 41 HAE, LIGO a détecté une nouvelle source d'ondes gravitationnelles, baptisée GW170817 pour marquer sa date de découverte. À peine deux secondes plus tard, le satellite Fermi de la NASA a détecté une faible impulsion de rayons gamma provenant du même endroit du ciel. Plus tard dans la matinée, les scientifiques de LIGO ont annoncé que deux étoiles à neutrons en fusion produisaient les ondes gravitationnelles de GW170817.

"Imaginez que les ondes gravitationnelles sont comme le tonnerre. Nous avons déjà entendu ce tonnerre, mais c'est la première fois que nous pouvons également voir la foudre qui va avec", a déclaré Philip Cowperthwaite du CfA. "La différence est que dans cet orage cosmique, nous entendons d'abord le tonnerre et obtenons ensuite le spectacle de lumière."

Quelques heures après l'annonce, alors que la nuit se couchait au Chili, l'équipe de Berger a utilisé la puissante caméra à énergie noire du télescope Blanco pour rechercher la région du ciel d'où émanaient les ondes gravitationnelles. En moins d'une heure, ils ont localisé une nouvelle source de lumière visible dans la galaxie NGC 4993 à une distance d'environ 130 millions d'années-lumière.

"L'une des premières galaxies géantes que nous avons examinées avait une nouvelle source de lumière évidente qui nous a frappés, et ce fut un moment incroyable", a déclaré Matt Nicholl du CfA. "Nous pensions qu'il faudrait des jours pour localiser la source, mais c'était comme si X marquait l'endroit."

L'équipe du CfA et ses collaborateurs ont ensuite lancé une série d'observations couvrant le spectre électromagnétique des rayons X aux ondes radio pour étudier les conséquences de la fusion des étoiles à neutrons.

Dans leur série d'articles, les scientifiques du CfA rapportent leurs études sur la luminosité et le spectre de la lumière optique et infrarouge et sur son évolution au fil du temps. Ils montrent que la lumière est causée par la lueur radioactive lorsque des éléments lourds du matériau éjecté par la fusion d'étoiles à neutrons sont produits dans un processus appelé kilonova.

"Nous avons montré que les éléments les plus lourds du tableau périodique, dont l'origine était entourée de mystère jusqu'à aujourd'hui, sont issus de la fusion d'étoiles à neutrons", a déclaré Edo Berger. "Chaque fusion peut produire plus qu'une masse terrestre de métaux précieux comme l'or et le platine et de nombreux éléments rares que l'on trouve dans nos téléphones portables."

Le matériau observé dans la kilonova se déplace à grande vitesse, suggérant qu'il a été expulsé lors de la collision frontale de deux étoiles à neutrons. Cette information, indépendante de la signature des ondes gravitationnelles, suggère que deux étoiles à neutrons étaient impliquées dans GW170817, plutôt qu'un trou noir et une étoile à neutrons.

Les observations radio avec le Very Large Array au Nouveau-Mexique ont permis de confirmer que la fusion des deux étoiles à neutrons a déclenché un court sursaut de rayons gamma (GRB), un bref sursaut de rayons gamma dans un jet de particules de haute énergie. Les propriétés correspondent à celles prédites par les modèles théoriques d'un GRB court qui a été observé avec le jet pointant initialement à un grand angle par rapport à la Terre. La combinaison des données radio avec les observations de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA montre que le jet pointait à environ 30 degrés de nous.

"Cet objet ressemble beaucoup plus aux théories que ce à quoi nous étions en droit de nous attendre", a déclaré Kate Alexander du CfA, qui a dirigé les observations VLA des équipes. "Nous continuerons à suivre l'émission radio pour les années à venir alors que le matériau éjecté de la collision heurte le milieu environnant", a-t-elle poursuivi.

Une analyse de la galaxie hôte, NGC 4993, et de l'environnement de la fusion cataclysmique montre que le binaire d'étoiles à neutrons s'est très probablement formé il y a plus de 11 milliards d'années.

"Les deux étoiles à neutrons se sont formées lors d'explosions de supernova alors que l'univers n'avait que deux milliards d'années, et ont passé le reste de l'histoire cosmique à se rapprocher de plus en plus jusqu'à ce qu'elles se brisent finalement ensemble", a déclaré Peter Blanchard de la CfA.

Une longue liste d'observatoires a été utilisée pour étudier la kilonova, notamment les télescopes SOAR et Magellan, le télescope spatial Hubble, la caméra à énergie noire sur le Blanco et le télescope Gemini-South.

La série de huit articles décrivant ces résultats est parue dans l'Astrophysical Journal Letters le 16 octobre. Les quatre articles avec les premiers auteurs de CfA sont dirigés par Philip Cowperthwaite sur les changements avec le temps de la lumière de la kilonova, un dirigé par Matt Nicholl sur les changements avec le temps du spectre de la kilonova, un autre dirigé par Kate Alexander sur les observations VLA, et un autre dirigé par Peter Blanchard sur la durée de la fusion et les propriétés de la galaxie hôte.

Complétant la série de huit articles, Marcelle Soares-Santos de l'Université Brandeis à Waltham MA a dirigé un article sur la découverte de l'homologue optique Ryan Chornock de l'Université de l'Ohio à Athens, OH, a dirigé un article sur les spectres infrarouges de la kilonova, Raffaella Margutti de Northwestern L'université d'Evanston, dans l'Illinois, a dirigé un article sur les observations de Chandra du jet, et Wen-fai Fong, également de Northwestern, a dirigé un article sur la comparaison entre GW170817 et les courts GRB précédents.

Des graphiques et d'autres informations supplémentaires sur ce résultat sont disponibles sur http://www.kilonova.org.

Basé à Cambridge, dans le Massachusetts, le Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) est une collaboration entre le Smithsonian Astrophysical Observatory et le Harvard College Observatory. Les scientifiques du CFA, organisés en six divisions de recherche, étudient l'origine, l'évolution et le destin ultime de l'univers.


Contributions des théoriciens à la compréhension et au contrôle du bruit dans les interféromètres LIGO

Un aspect majeur de l'expérience LIGO est de comprendre et de contrôler une vaste gamme de phénomènes qui produisent du bruit pouvant masquer les signaux d'ondes gravitationnelles. Les théoriciens ont contribué à cerner certains de ces phénomènes. Cela a été très agréable et a élargi la formation des étudiants en théorie. Je vais donner plusieurs exemples intéressants :

Bruit de lumière diffuse

Dans chaque bras d'un interféromètre LIGO, le faisceau lumineux rebondit entre les miroirs. Une infime partie de la lumière se disperse sur un miroir, puis se diffuse ou se réfléchit depuis la face interne du tube à vide qui entoure le faisceau, puis se déplace vers l'autre miroir, et se rediffuse dans le faisceau lumineux (Figure 15, en haut). La face du tube vibre avec une amplitude énorme par rapport à l'influence de l'onde gravitationnelle, et ces vibrations mettent un énorme déphasage oscillant sur la lumière diffusée. Cet énorme déphasage sur une infime fraction de la lumière du faisceau peut produire un déphasage net dans le faisceau lumineux qui est plus grand que l'influence d'une onde gravitationnelle.

Ce bruit de diffusion de la lumière peut être contrôlé en plaçant des déflecteurs dans le tube du faisceau (lignes pointillées sur la figure 15) pour empêcher la lumière diffusée d'atteindre le miroir éloigné.Un peu de la lumière diffusée, cependant, peut encore atteindre le miroir éloigné en se diffractant sur les bords des déflecteurs.

Les chicanes et leur diffraction de la lumière sont un problème standard dans les télescopes optiques et autres appareils. Mais pas standard, et unique aux interféromètres gravitationnels, est le danger qu'il puisse y avoir cohérent la superposition du déphasage oscillant pour la lumière qui voyage par des chemins différents d'un miroir à l'autre une telle cohérence pourrait augmenter considérablement le bruit. En 1988, Rai Weiss m'a recruté, moi et mes étudiants en théorie, pour examiner cela, déterminer sa gravité et trouver un moyen de l'atténuer. Eanna Flanagan et moi l'avons fait. Pour rompre la cohérence, nous avons donné aux déflecteurs des dents de scie profondes avec des hauteurs aléatoires (Figure 15, en bas), et pour minimiser davantage le bruit, nous avons choisi le motif des dents de manière optimale et optimisé les emplacements des déflecteurs dans le tube du faisceau. 31 Un segment de l'une de nos chicanes à dents de scie aléatoires est ma contribution au musée Nobel de Stockholm.

Bruit gravitationnel

Les humains travaillant à proximité d'un miroir LIGO créent des forces gravitationnelles oscillantes qui pourraient déplacer le miroir plus qu'une onde gravitationnelle. Ma femme, Carolee Winstein, est biokinésiologue (experte en mouvement humain). En utilisant les données expérimentales sur le mouvement humain de ses collègues, nous avons calculé la taille de ce bruit et avons conclu que, si les humains sont maintenus à plus de 10 mètres d'un miroir LIGO, le bruit est acceptablement faible. 32 Celui-ci a servi de cahier des charges pour l'aménagement des bâtiments abritant les miroirs LIGO. Les étudiants en théorie ont étudié le bruit produit par les forces gravitationnelles des ondes sismiques dans la Terre 33 et des objets en suspension dans l'air tels que les tumbleweeds. 34

Bruit thermique

Les vibrations thermiques (vibrations causées par une température finie) font trembler les miroirs de LIGO. Ces vibrations peuvent survenir de différentes manières. L'étudiant en théorie Yuri Levin a conçu une nouvelle méthode pour calculer ce bruit thermique et identifier ses nombreuses origines différentes. 35 Plus important encore, il a utilisé sa méthode pour découvrir que les vibrations thermiques dans les revêtements des miroirs de LIGO (qui avaient auparavant été négligées) pourraient être particulièrement graves. Cela s'est avéré être vrai : dans les interféromètres Advanced LIGO, et probablement dans la prochaine génération d'interféromètres gravitationnels, le bruit thermique de revêtement est l'une des deux sources de bruit les plus graves, l'autre étant le bruit quantique.

Bruit quantique et limite quantique standard pour un interféromètre gravitationnel

Bruit quantique est le bruit dû au caractère aléatoire de la distribution des photons dans les faisceaux lumineux d'un interféromètre. Dans chaque interféromètre LIGO initial (parties I et II de cette conférence), le bruit quantique comportait deux parties : bruit de tir de photons, causé par le caractère aléatoire de l'arrivée des photons au photodétecteur (sortie de l'interféromètre) et bruit de pression de rayonnement, causé par le caractère aléatoire du rebond des photons sur les miroirs des interféromètres, ce qui fait trembler les miroirs.

Les deux formes de bruit quantique doivent provenir du faisceau lumineux différences dans les deux bras des interféromètres, car la sortie de l'interféromètre n'est sensible qu'aux différences.

À la fin des années 1970, il y avait beaucoup de débats parmi les scientifiques des ondes gravitationnelles sur l'origine physique de ces différences. Le postdoc théorique Carlton Caves a trouvé la réponse surprenante : 36 Le bruit de pression de rayonnement et le bruit de grenaille proviennent, réalisa-t-il, d'électromagnétisme (électrodynamique quantique) les fluctuations du vide qui entrent dans l'interféromètre vers l'arrière, depuis la direction de son photodétecteur de sortie. Ces fluctuations battent contre la lumière laser dans les deux bras pour produire 1. des fluctuations de pression de rayonnement (bruit) qui sont opposées dans les deux bras, et 2. des fluctuations d'intensité qui sont également opposées et qui sortent donc de l'interféromètre dans la sortie photodétecteur comme bruit de grenaille Figure 17.

Ici Sh est la densité spectrale du bruit superposée au signal d'onde gravitationnelle, ħ est la constante de Planck, m est la masse de chacun des miroirs de l'interféromètre, L est la longueur des deux bras de l'interféromètre et est la fréquence angulaire de l'onde gravitationnelle.

À la fin des années 1980, Brian Meers de l'Université de Glasgow (sur la base d'une idée de Ron Drever) a proposé d'ajouter un miroir de recyclage de signal aux interféromètres gravitationnels, afin de les rendre plus polyvalents (voir les parties I et II de Weiss et Barish de cette conférence) , et à la fin des années 1990, ce nouveau miroir a été intégré à la conception des futurs interféromètres Advanced-LIGO. Strain et d'autres ont utilisé une théorie semi-classique (pas entièrement quantique) pour déduire le bruit de grenaille et le bruit de pression de rayonnement dans ces interféromètres LIGO avancés. C'était inquiétant car Advanced LIGO devait fonctionner très près de sa limite quantique standard, SQL, où l'analyse semi-classique pourrait être erronée. Ainsi, la postdoctorante théorique Alessandra Buonanno et l'étudiant diplômé Yanbei Chen ont effectué une analyse complète de la mécanique quantique du bruit.

  • Les prédictions de bruit de la théorie semi-classique étaient fausses, donc la planification d'Advanced LIGO devrait être modifiée, mais pas beaucoup.
  • Le miroir de recyclage du signal de l'interféromètre déclenche la pression lumineuse du faisceau dans chaque bras pour agir comme un ressort dépendant de la fréquence poussant contre les miroirs, et donne ainsi lieu à un comportement oscillatoire opto-mécanique.
  • Le miroir de recyclage du signal crée également des corrélations quantiques entre le bruit de grenaille et le bruit de pression de rayonnement. Ces corrélations font qu'il n'est plus viable de parler séparément du bruit de tir et du bruit de pression de rayonnement, il faut plutôt se concentrer sur un seul bruit quantique unifié.
  • Ces corrélations permettent également à l'interféromètre Advanced LIGO de battre le SQL de Caves jusqu'à un facteur 2 sur une bande passante de l'ordre de la fréquence des ondes gravitationnelles.

Fluctuations quantiques, non-démolition quantique et vide comprimé

Selon la théorie quantique, tout fluctue de manière aléatoire, au moins un peu.

Il y a un demi-siècle, le physicien russe Vladimir Braginsky a soutenu (en effet) que dans les détecteurs d'ondes gravitationnelles, lors de la surveillance d'un objet sur lequel les ondes agissent, on pourrait avoir à mesurer des mouvements si petits qu'ils pourraient être masqués par les fluctuations quantiques de l'objet. . 38 Plus tard, au milieu des années 1970, 39 Braginsky s'est rendu compte qu'il devrait être possible de créer non-démolition quantique (QND) pour contourner ces fluctuations quantiques.

En 1980, Caves a reconnu que, bien qu'il ait dérivé sa limite quantique standard [Équation 1] pour la sensibilité d'un interféromètre en analysant son interaction avec la lumière, ce SQL a en réalité une origine plus profonde : il est associé aux fluctuations quantiques des centres de masse de les miroirs de l'interféromètre. Le défi consistait alors à concevoir la technologie QND pour contourner ces fluctuations et ainsi battre leur SQL.

Étant donné que le SQL est imposé par les fluctuations électromagnétiques du vide qui entrent dans le port de sortie, Caves s'est rendu compte qu'un outil QND clé pourrait être de modifier ces fluctuations du vide - et ainsi, grâce à leur influence de la pression de rayonnement sur les miroirs, modifier le propre quantum des miroirs. fluctuation.

Plus précisément, Caves 36 a proposé de réduire les fluctuations du vide électromagnétique dans une quadrature de chaque fréquence fluctuante (par exemple, la quadrature cos t) au prix d'augmenter les fluctuations du vide dans l'autre quadrature (par exemple, sin t). (Le principe d'incertitude dicte que le produit des forces de fluctuation pour les deux quadratures ne peut pas être réduit, donc si l'un est réduit, l'autre doit augmenter.)

Une quadrature est responsable du bruit de grenaille, et l'autre du bruit de pression de rayonnement, Caves l'avait montré en faire le vide de cette manière, on peut réduire le bruit de grenaille au prix d'une augmentation du bruit de pression de rayonnement - ce qui revient au même que l'on obtient en augmentant l'intensité lumineuse laser. (Cette utilisation du vide comprimé est depuis devenue très importante : le plan initial pour amener Advanced LIGO à sa sensibilité de conception impliquait de pousser jusqu'à 800 kW la puissance lumineuse rebondissant entre les miroirs de chaque bras d'interféromètre. Cependant, une telle puissance lumineuse élevée produit Par conséquent, le nouveau plan d'aujourd'hui, mis en œuvre pour la prochaine opération d'observation de LIGO fin 2018, consiste à injecter un vide comprimé dans le port de sortie précisément de la manière envisagée par Caves, au lieu d'une augmentation correspondante de Puissance légère.)

Dans Advanced LIGO, le bruit de grenaille domine à des fréquences d'ondes gravitationnelles élevées (bien au-dessus de 200 Hz), le bruit de pression de rayonnement domine à des fréquences plus basses (bien en dessous de 200 Hz). Par conséquent, il est avantageux d'injecter un vide qui est comprimé à un cos en quadrature dépendant de la fréquence[ωt – φ(ω)], ce qui produit une réduction du bruit de grenaille (φ = 0) aux hautes fréquences, et une réduction de la pression de rayonnement à basses fréquences (φ = π/2). Aux fréquences intermédiaires, une chose étonnante se produit - comme l'a découvert Bill Unruh 40 en 1981 : le deux bruits, tir et pression de radiation, s'annulent partiellement ! (Voir Figure 21.) En conséquence, l'interféromètre bat le SQL (il atteint la non-démolition quantique), et avec une compression suffisante, il peut le faire d'une quantité arbitrairement grande - en principe, mais pas en pratique.

Bien que nous connaissions cette technique QND depuis 1983, dans les années 1980 et 1990, aucune méthode pratique n'était connue pour produire la phase de compression dépendant de la fréquence requise (ω).

En 1999, j'ai discuté de ce problème en profondeur avec mon collègue Jeff Kimble (le principal expérimentateur de Caltech en matière de compression et d'autres techniques liées à l'information quantique), et il a mis au point une solution : écraser le vide à une phase indépendante de la fréquence, puis envoyer le vide à travers une ou deux cavités Fabry-Pérot soigneusement réglées (« filtres optiques ») avant de l'injecter dans le port de sortie de l'interféromètre. 41

Parmi les nombreuses techniques QND différentes qui ont été conçues pour les interféromètres LIGO, 42 cette compression dépendant de la fréquence, utilisant Cavités filtrantes Kimble, est celui qui semble actuellement le plus prometteur pour les futures générations d'interféromètres gravitationnels : LIGO A+, Voyager, Cosmic Explorer et Einstein Telescope (voir la partie II de Barish de cette conférence). Une petite quantité de QND sera nécessaire dans LIGO A+, et une quantité substantielle dans tous les interféromètres suivants.


Les astronomes voient un spectacle de lumière associé aux ondes gravitationnelles

Marquant le début d'une nouvelle ère en astrophysique, des scientifiques ont détecté pour la première fois des ondes gravitationnelles et des rayonnements électromagnétiques, ou lumière, provenant du même événement. Cette découverte historique révèle la fusion de deux étoiles à neutrons, les noyaux denses d'étoiles mortes, et résout le débat sur la façon dont les éléments les plus lourds tels que le platine et l'or ont été créés dans l'Univers.

Pour parvenir à ce résultat remarquable, des milliers de scientifiques du monde entier ont travaillé fébrilement en utilisant les données des télescopes au sol et dans l'espace. Les chercheurs du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) à Cambridge, Mass., ont joué un rôle central. Une série de huit articles dirigés par des astronomes du CfA et leurs collègues détaille l'histoire complète des conséquences de cet événement et examine des indices sur son origine.

"Il est difficile de décrire notre enthousiasme et notre objectif historique au cours des deux derniers mois", a déclaré le chef de l'équipe, Edo Berger de CfA. "C'est un moment unique dans une carrière - nous avons réalisé un rêve de scientifiques qui existe depuis des décennies."

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans l'espace-temps causées par le mouvement accéléré d'objets célestes massifs. Ils ont d'abord été prédits par la théorie de la relativité générale d'Einstein. L'Observatoire avancé des ondes gravitationnelles par interféromètre laser (LIGO) a effectué la première détection directe d'ondes gravitationnelles en septembre 2015, lorsque la fusion de deux trous noirs de masse stellaire a été découverte.

Le 17 août 2017, à 8 h 41 HAE, LIGO a détecté une nouvelle source d'ondes gravitationnelles, baptisée GW170817 pour marquer sa date de découverte. À peine deux secondes plus tard, le satellite Fermi de la NASA a détecté une faible impulsion de rayons gamma provenant du même endroit du ciel. Plus tard dans la matinée, les scientifiques de LIGO ont annoncé que deux étoiles à neutrons en fusion produisaient les ondes gravitationnelles de GW170817.

"Imaginez que les ondes gravitationnelles sont comme le tonnerre. Nous avons déjà entendu ce tonnerre, mais c'est la première fois que nous pouvons également voir la foudre qui va avec", a déclaré Philip Cowperthwaite du CfA. "La différence est que dans cet orage cosmique, nous entendons d'abord le tonnerre et obtenons ensuite le spectacle de lumière."

Quelques heures après l'annonce, alors que la nuit se couchait au Chili, l'équipe de Berger a utilisé la puissante caméra à énergie noire du télescope Blanco pour rechercher la région du ciel d'où émanaient les ondes gravitationnelles. En moins d'une heure, ils ont localisé une nouvelle source de lumière visible dans la galaxie NGC 4993 à une distance d'environ 130 millions d'années-lumière.

"L'une des premières galaxies géantes que nous avons examinées avait une nouvelle source de lumière évidente qui nous a frappés, et ce fut un moment incroyable", a déclaré Matt Nicholl du CfA. "Nous pensions qu'il faudrait des jours pour localiser la source, mais c'était comme si X marquait l'endroit."

L'équipe du CfA et ses collaborateurs ont ensuite lancé une série d'observations couvrant le spectre électromagnétique des rayons X aux ondes radio pour étudier les conséquences de la fusion des étoiles à neutrons.

Dans leur série d'articles, les scientifiques du CfA rapportent leurs études sur la luminosité et le spectre de la lumière optique et infrarouge et sur son évolution au fil du temps. Ils montrent que la lumière est causée par la lueur radioactive lorsque des éléments lourds du matériau éjecté par la fusion d'étoiles à neutrons sont produits dans un processus appelé kilonova.

"Nous avons montré que les éléments les plus lourds du tableau périodique, dont l'origine était entourée de mystère jusqu'à aujourd'hui, sont issus de la fusion d'étoiles à neutrons", a déclaré Edo Berger. "Chaque fusion peut produire plus qu'une masse terrestre de métaux précieux comme l'or et le platine et de nombreux éléments rares trouvés dans nos téléphones portables."

Le matériau observé dans la kilonova se déplace à grande vitesse, suggérant qu'il a été expulsé lors de la collision frontale de deux étoiles à neutrons. Cette information, indépendante de la signature des ondes gravitationnelles, suggère que deux étoiles à neutrons étaient impliquées dans GW170817, plutôt qu'un trou noir et une étoile à neutrons.

Les observations radio avec le Very Large Array au Nouveau-Mexique ont permis de confirmer que la fusion des deux étoiles à neutrons a déclenché un court sursaut de rayons gamma (GRB), un bref sursaut de rayons gamma dans un jet de particules de haute énergie. Les propriétés correspondent à celles prédites par les modèles théoriques d'un GRB court qui a été observé avec le jet pointant initialement à un grand angle par rapport à la Terre. La combinaison des données radio avec les observations de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA montre que le jet pointait à environ 30 degrés de nous.

"Cet objet ressemble beaucoup plus aux théories que ce à quoi nous étions en droit de nous attendre", a déclaré Kate Alexander du CfA, qui a dirigé les observations VLA des équipes. "Nous continuerons à suivre l'émission radio pour les années à venir alors que le matériau éjecté de la collision heurte le milieu environnant", a-t-elle poursuivi.

Une analyse de la galaxie hôte, NGC 4993, et de l'environnement de la fusion cataclysmique montre que le binaire d'étoiles à neutrons s'est très probablement formé il y a plus de 11 milliards d'années.

"Les deux étoiles à neutrons se sont formées lors d'explosions de supernova alors que l'univers n'avait que deux milliards d'années, et ont passé le reste de l'histoire cosmique à se rapprocher de plus en plus l'une de l'autre jusqu'à ce qu'elles se brisent finalement ensemble", a déclaré Peter Blanchard du CfA.

Une longue liste d'observatoires a été utilisée pour étudier la kilonova, notamment les télescopes SOAR et Magellan, le télescope spatial Hubble, la caméra à énergie noire sur le Blanco et le télescope Gemini-South.

La série de huit articles décrivant ces résultats est parue dans l'Astrophysical Journal Letters le 16 octobre. Les quatre articles avec les premiers auteurs de CfA sont dirigés par Philip Cowperthwaite sur les changements avec le temps de la lumière de la kilonova, un dirigé par Matt Nicholl sur les changements avec le temps du spectre de la kilonova, un autre dirigé par Kate Alexander sur les observations VLA, et un autre dirigé par Peter Blanchard sur la durée de la fusion et les propriétés de la galaxie hôte.

Complétant la série de huit articles, Marcelle Soares-Santos de l'Université Brandeis à Waltham MA a dirigé un article sur la découverte de l'homologue optique Ryan Chornock de l'Université de l'Ohio à Athens, OH, a dirigé un article sur les spectres infrarouges de la kilonova, Raffaella Margutti de Northwestern L'université d'Evanston, dans l'Illinois, a dirigé un article sur les observations Chandra du jet, et Wen-fai Fong, également de Northwestern, a dirigé un article sur la comparaison entre GW170817 et les courts GRB précédents.

Des graphiques et d'autres informations supplémentaires sur ce résultat sont disponibles sur http://www.kilonova.org.

Basé à Cambridge, dans le Massachusetts, le Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) est une collaboration entre le Smithsonian Astrophysical Observatory et le Harvard College Observatory. Les scientifiques du CFA, organisés en six divisions de recherche, étudient l'origine, l'évolution et le destin ultime de l'univers.


Images et films : ondes gravitationnelles

Le parlement du Land de Rhénanie du Nord-Westphalie a promis à l'unanimité son soutien au projet scientifique international révolutionnaire Einstein Telescope (ET).

Proposition de télescope Einstein soumise à la feuille de route ESFRI

La proposition d'inclure le télescope Einstein, un observatoire pionnier des ondes gravitationnelles (GW) de troisième génération, dans la mise à jour 2021 de la feuille de route du Forum stratégique européen pour les infrastructures de recherche (ESFRI) a été soumise.

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LIGO détecterait-il une collision frontale ? - Astronomie

12 février — Pour la première fois, des scientifiques ont observé des ondulations dans le tissu de l'espace-temps appelées ondes gravitationnelles, arrivant sur la terre à partir d'un événement cataclysmique dans l'univers lointain. Cela confirme une prédiction majeure de la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein de 1915 et ouvre une nouvelle fenêtre sans précédent sur le cosmos.

Les ondes gravitationnelles transportent des informations sur leurs origines dramatiques et sur la nature de la gravité qui ne peuvent pas être obtenues autrement. Les physiciens ont conclu que les ondes gravitationnelles détectées ont été produites pendant la dernière fraction de seconde de la fusion de deux trous noirs pour produire un seul trou noir en rotation plus massif. Cette collision de deux trous noirs avait été prédite mais jamais observée.

Les ondes gravitationnelles ont été détectées le 14 septembre 2015 à 5 h 51, heure avancée de l'Est (9 h 51 UTC) par les deux détecteurs jumeaux de l'interféromètre laser Gravitational-wave Observatory (LIGO), situés à Livingston, en Louisiane, et Hanford, Washington. Les observatoires LIGO sont financés par la National Science Foundation et ont été conçus, construits et exploités par Caltech et le Massachusetts Institute of Technology. La découverte, acceptée pour publication dans la revue Lettres d'examen physique, a été réalisée par la collaboration scientifique LIGO (qui comprend la collaboration GEO et le consortium australien pour l'astronomie gravitationnelle interférométrique) et la collaboration Virgo en utilisant les données des deux détecteurs LIGO.

Rôle du NCSA dans la découverte

Il y a trente ans, le National Center for Supercomputing Applications (NCSA) a été fondé à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign par Larry Smarr en partant du principe que la modélisation numérique de problèmes scientifiques, tels que la collision de trous noirs, nécessitait un calcul haute performance. pour progresser. La thèse de doctorat de Smarr portait elle-même sur la modélisation de la collision frontale de deux trous noirs. En 2014, Smarr a reçu le prix Golden Goose pour souligner l'impact de ses recherches sur les trous noirs sur la création du NCSA et du programme de centres de calcul de la NSF qui a conduit à la révolution de l'Internet public via la création du navigateur Web NCSA Mosaic, le premier navigateur d'avoir des fonctionnalités visuelles comme des icônes, des signets et des images, et était facile à utiliser.

Au NCSA, Smarr a formé un groupe numérique, dirigé par Edward Seidel, l'actuel directeur du NCSA. Le groupe est rapidement devenu un leader dans l'application des superordinateurs aux problèmes de trous noirs et d'ondes gravitationnelles. Par exemple, en 1994, la toute première simulation tridimensionnelle de deux trous noirs en collision fournissant des formes d'ondes gravitationnelles calculées a été réalisée au NCSA par ce groupe en collaboration avec des collègues de l'Université de Washington.

Le NCSA en tant que centre a continué à prendre en charge les problèmes les plus complexes de la relativité numérique et de l'astrophysique relativiste, notamment en travaillant avec plusieurs groupes traitant des modèles de sources d'ondes gravitationnelles vues par LIGO dans cette découverte. Des simulations encore plus complexes seront nécessaires pour les futures découvertes anticipées telles que les collisions d'étoiles à neutrons et de trous noirs ou d'explosions de supernovae.

Le NCSA a également joué un rôle dans le développement des outils nécessaires à la simulation des systèmes relativistes. Les travaux du groupe NCSA de Seidel ont conduit au développement du Cactus Framework, un cadre modulaire et collaboratif pour le calcul parallèle qui, depuis 1997, a soutenu les relativistes numériques ainsi que d'autres disciplines développant des applications à exécuter sur des superordinateurs au NCSA et ailleurs. Construit sur le framework Cactus, la boîte à outils Einstein prise en charge par la NSF et développée à Georgia Tech, RIT, LSU, AEI, Perimeter Institute et ailleurs prend désormais en charge de nombreuses sources de modélisation de groupes de relativité numérique importantes pour LIGO sur le supercalculateur NCSA Blue Waters.

“Cette annonce historique est très spéciale pour moi. Ma carrière s'est centrée sur la compréhension de la nature des systèmes de trous noirs, de mes travaux de recherche en relativité numérique, à la constitution d'équipes collaboratives et de technologies pour la recherche scientifique, puis j'ai également eu l'honneur d'être impliqué dans LIGO pendant mon rôle de directeur adjoint Mathématiques et sciences physiques. Je ne pourrais pas être plus excité que le domaine passe à une nouvelle phase », a déclaré Seidel, qui est également professeur fondateur de physique et professeur d'astronomie à l'Illinois.

Gabrielle Allen, professeure d'astronomie à l'Illinois et directrice associée du NCSA, a précédemment dirigé le développement du cadre Cactus et de la boîte à outils Einstein. “NCSA a été un élément essentiel pour inspirer et soutenir le développement de Cactus pour l'astrophysique. Nous avons organisé notre premier atelier Cactus au NCSA et la participation du personnel à nos projets était fondamentale pour pouvoir démontrer non seulement de nouvelles sciences, mais aussi de nouvelles technologies et approches informatiques », a déclaré Allen.

Eliu Huerta, membre de la collaboration scientifique LIGO depuis 2011 et actuel chef du groupe de relativité au NCSA, est co-auteur de l'article qui sera publié dans Lettres d'examen physique. Huerta travaille à l'interface de la relativité analytique et numérique, se spécialisant dans le développement de formes d'ondes modélisées pour la détection et l'interprétation des signaux d'ondes gravitationnelles. Huerta utilise ces modèles pour déduire les propriétés astrophysiques des systèmes binaires compacts et faire la lumière sur les environnements dans lesquels ils se forment et fusionnent.

“La première observation directe d'ondes gravitationnelles à partir d'un système binaire de trous noirs inaugure officiellement le domaine de l'astronomie des ondes gravitationnelles. Il ne peut y avoir de meilleure façon de célébrer le premier centenaire de la prédiction d'Einstein sur les ondes gravitationnelles. Nous pouvons dire avec joie qu'Einstein a raison, et que le beau cadre mathématique qu'il a développé pour décrire la gravité est valable même dans les environnements les plus extrêmes. Une nouvelle ère a commencé, et nous serons heureux de découvrir des objets astrophysiques dont nous n'avons jamais rêvé », a déclaré Huerta.

Stuart Shapiro, professeur de physique et d'astronomie à l'Illinois, a été nommé chercheur scientifique au NCSA par Smarr il y a deux décennies. Grand expert de la théorie qui sous-tend la recherche des ondes gravitationnelles, il a développé des outils logiciels capables de simuler sur des superordinateurs NCSA comme Blue Waters la fusion très binaire des trous noirs et les ondes gravitationnelles désormais détectées par LIGO. Shapiro a déclaré qu'il était ravi de la découverte.

« Ceci présente la confirmation la plus forte à ce jour de la théorie de la relativité générale d'Einstein et la preuve la plus claire à ce jour de l'existence de trous noirs. Les ondes gravitationnelles que LIGO mesure ne peuvent être générées qu'en fusionnant des trous noirs, des objets relativistes exotiques dont rien, y compris la lumière, ne peut s'échapper de leur intérieur », a déclaré Shapiro.

"Travailler au NCSA aide à ouvrir des fenêtres sur l'univers", a déclaré Peter Schiffer, vice-chancelier de la recherche à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. "C'est une découverte fondamentale merveilleuse, et il est passionnant que les capacités de calcul haute performance que nous avons développées pour relever des défis comme celui-ci soient également utilisées pour résoudre d'autres problèmes de société importants."

Les trous noirs se forment lorsque des étoiles massives subissent un effondrement gravitationnel catastrophique. Le champ gravitationnel de ces objets ultra compacts est si fort que même la lumière ne peut s'en échapper.

Les ondes gravitationnelles sont générées lorsque des objets ultra compacts (trous noirs, étoiles à neutrons ou naines blanches) sont accélérés à des vitesses qui représentent une fraction significative de la vitesse de la lumière. Les ondes gravitationnelles se couplent faiblement à la matière, ce qui signifie qu'elles peuvent voyager sans entrave dans tout l'Univers et que seuls des détecteurs extrêmement sensibles tels que LIGO peuvent les détecter.

La recherche LIGO est menée par la LIGO Scientific Collaboration, un groupe de plus de 1 000 scientifiques d'universités des États-Unis et de 14 autres pays. Plus de 90 universités et instituts de recherche de la collaboration développent une technologie de détection et analysent les données. Environ 250 étudiants sont des membres importants de la collaboration.

Le réseau de détecteurs de la LIGO Scientific Collaboration comprend les interféromètres LIGO et le détecteur GEO600. L'équipe GEO comprend des scientifiques du Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, AEI), de la Leibniz Universität Hannover, ainsi que des partenaires de l'Université de Glasgow, de l'Université de Cardiff, de l'Université de Birmingham, d'autres universités du Royaume-Uni et l'Université des îles Baléares en Espagne.

LIGO a été initialement proposé comme moyen de détecter ces ondes gravitationnelles dans les années 1980 par Rainer Weiss, professeur de physique, émérite, du MIT Kip Thorne, Richard P. Feynman de Caltech, professeur de physique théorique, émérite et Ronald Drever, professeur de physique, émérite , également de Caltech.

La recherche Virgo est menée par la collaboration Virgo, composée de plus de 250 physiciens et ingénieurs appartenant à 19 groupes de recherche européens différents : six du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en France huit de l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie deux aux Pays-Bas avec Nikhef le Wigner RCP en Hongrie le groupe POLGRAW en Pologne et l'European Gravitational Observatory (EGO), le laboratoire hébergeant le détecteur Virgo près de Pise en Italie.

La découverte a été rendue possible grâce aux capacités améliorées d'Advanced LIGO, une mise à niveau majeure qui augmente la sensibilité des instruments par rapport aux détecteurs LIGO de première génération, permettant une augmentation importante du volume de l'univers sondé et la découverte d'ondes gravitationnelles pendant son premier parcours d'observation.

La National Science Foundation des États-Unis apporte un soutien financier à Advanced LIGO. Des organismes de financement en Allemagne (Max Planck Society), au Royaume-Uni (Science and Technology Facilities Council, STFC) et en Australie (Australian Research Council) ont également pris des engagements importants dans le projet. Plusieurs des technologies clés qui ont rendu Advanced LIGO tellement plus sensible ont été développées et testées par la collaboration allemande UK GEO.

D'importantes ressources informatiques ont été fournies par le cluster AEI Hannover Atlas, le laboratoire LIGO, l'Université de Syracuse et l'Université du Wisconsin-Milwaukee. Plusieurs universités ont conçu, construit et testé des composants clés pour Advanced LIGO : l'Université nationale australienne, l'Université d'Adélaïde, l'Université de Floride, l'Université de Stanford, l'Université de Columbia dans la ville de New York et l'Université d'État de Louisiane.


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