Astronomie

Pourquoi peut-on détecter les ondes gravitationnelles ?

Pourquoi peut-on détecter les ondes gravitationnelles ?

Maintenant que LIGO a enfin mesuré les ondes gravitationnelles à l'aide d'un énorme interféromètre laser, pour moi, la question demeure, pourquoi était-ce possible ? Comme cela est expliqué dans de nombreux articles de presse, les ondes gravitationnelles sont similaires aux ondes de l'eau ou aux ondes électromagnétiques, elles n'existent tout simplement pas dans un milieu comme l'eau ou l'espace, mais l'espace-temps lui-même est le moyen de transport. Si l'espace-temps lui-même se contracte et se dilate par les ondes gravitationnelles, tout moyen de mesure le fait aussi. La règle que vous utilisez pour la mesure (le faisceau laser) se déforme pendant que l'onde traverse l'appareil de mesure. Sinon, le "dirigeant" devait vivre en dehors de l'espace-temps, mais il n'y a pas de dehors. Si l'espace-temps était une tasse remplie de pudding, sur laquelle nous avions tracé une ligne droite avec 10 marques, pousser légèrement dans le pudding avec notre pouce fait plier la ligne, mais pour nous, il reste 10 marques sur la ligne, car pour mesurer l'extension, nous avons dû utiliser une règle, en dehors de notre espace-temps (pudding) pour mesurer, disons, 11 marques. Mais bon, il n'y a pas d'extérieur. Je suppose que la même chose se produit non seulement pour les 3 dimensions spatiales mais aussi pour la dimension temporelle. Parce qu'ils "l'ont fait", qu'est-ce que je rate ?


La réponse courte est que les vagues qui sont "dans l'appareil" sont en effet étirées. Cependant, les "ondes fraîches" produites par le laser ne le sont pas. Tant que les "nouvelles" ondes passent beaucoup moins de temps dans l'interféromètre qu'il n'en faut pour les étendre (ce qui prend environ 1/fréquence d'onde gravitationnelle), alors l'effet dont vous parlez peut être négligé.

Des détails:

Il y a un apparent paradoxe : on peut penser la détection de deux manières. D'une part, vous pouvez imaginer que les longueurs des bras du détecteur changent et que le temps de trajet aller-retour d'un faisceau lumineux est modifié par la suite et ainsi la différence de temps d'arrivée des crêtes d'onde se traduit par une différence de phase qui est détecté dans l'interféromètre. D'un autre côté, vous avez l'analogie avec l'expansion de l'univers - si la longueur du bras est modifiée, la longueur d'onde de la lumière n'est-elle pas modifiée par exactement le même facteur et donc il ne peut y avoir aucun changement dans la phase différence? Je suppose que ce dernier est votre question.

Et bien clairement, le détecteur fonctionne donc il doit y avoir un problème avec la seconde interprétation. Il y a une excellente discussion à ce sujet par Saulson 1997, dont je fais un résumé.

Interprétation 1 :

Si les deux bras sont dans le $x$ et $y$ directions et la vague entrante le $z$ direction, alors la métrique due à l'onde peut être écrite $$ds^2 = -c^2 dt^2 + (1+ h(t))dx^2 + (1-h(t))dy^2,$$$h(t)$ est la déformation de l'onde gravitationnelle.

Pour la lumière voyageant sur des chemins géodésiques, l'intervalle métrique $ds^2=0$, cela signifie que (en ne considérant que le bras aligné le long de l'axe x pendant un instant) $$c dt = sqrt{(1 + h(t))}dx simeq (1 + frac{1}{2}h(t))dx$$ Le temps mis pour parcourir le chemin est donc augmenté à $$ au_+ = int dt = frac{1}{c}int (1 + frac{1}{2}h(t))dx$$

Si le bras d'origine est de longueur $L$ et la longueur de bras perturbée est $L(1+h/2)$, puis la différence de temps pour qu'un photon fasse le rond voyage le long de chaque bras est $$ Delta au = au_+ - au_- simeq frac{2L}{c}h$$ conduisant à une différence de phase dans les signaux de $$Delta phi = frac{4pi L}{lambda} h$$ Cela suppose que $h(t)$ est traité comme une constante pendant le temps que la lumière laser est dans l'appareil.

Interprétation 2 :

En analogie avec l'expansion de l'univers, l'onde gravitationnelle Est-ce que changer la longueur d'onde de la lumière dans chaque bras de l'expérience. Cependant, seules les vagues qui sont dans l'appareil au passage de l'onde gravitationnelle peut être affectée.

Supposer que $h(t)$ est une fonction pas à pas de sorte que le bras change de longueur de $L$ à $L+h(0)/2$ instantanément. Les ondes qui viennent de revenir au détecteur ne seront pas affectées par ce changement, mais les crêtes d'ondes suivantes auront eu successivement à parcourir plus loin et il y a donc un décalage de phase qui s'accumule progressivement jusqu'à la valeur définie ci-dessus dans l'interprétation 1. Le temps pris pour que le décalage de phase s'accumule sera $2L/c$.

Mais alors qu'en est-il des vagues qui entrent plus tard dans l'appareil ? Pour ceux-là, le laser la fréquence est inchangée et comme la vitesse de la lumière est constante, alors la longueur d'onde est inchangée. Ces ondes voyagent dans un bras allongé et subissent donc un décalage de phase exactement équivalent à l'interprétation 1.

En pratique, le "temps d'accumulation" du déphasage est court devant l'inverse de la fréquence des ondes gravitationnelles. Par exemple, la longueur du chemin LIGO est d'environ 1 000 km, donc le "temps de construction" serait de 0,003 s par rapport à l'inverse du $sim 100$ Signal Hz de 0,01 s et est donc relativement peu important lors de l'interprétation du signal (la sensibilité de détection de l'interféromètre est en effet compromise à des fréquences plus élevées à cause de cet effet).


Pourquoi la découverte des ondes gravitationnelles est importante

Un technicien de l'observatoire à ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser (LIGO) prépare un nettoyeur de mode optique sur cette photo du 10 juillet 2012 publiée par le laboratoire Caltech/MIT/LIGO le 8 février 2016. REUTERS/Caltech/MIT/LIGO Laboratory/Handout via Reuters

Des scientifiques travaillant à l'expérience LIGO aux États-Unis ont pour la première fois détecté des ondulations insaisissables dans le tissu de l'espace et du temps, connues sous le nom d'ondes gravitationnelles. Il ne fait aucun doute que cette découverte est l'une des découvertes physiques les plus révolutionnaires des 100 dernières années. Mais quels sont-ils ?

Pour mieux comprendre le phénomène, remontons quelques centaines d'années en arrière. En 1687, lorsqu'Isaac Newton publia son Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, il considérait la force gravitationnelle comme une force d'attraction entre deux masses – que ce soit la Terre et la Lune ou deux pois sur une table. Cependant, la nature de la transmission de cette force était moins bien comprise à l'époque. En effet, la loi de la gravitation elle-même n'a pas été testée jusqu'à ce que le scientifique britannique Henry Cavendish l'ait fait en 1798, tout en mesurant la densité de la Terre.

Avance rapide jusqu'en 1916, quand Einstein a présenté aux physiciens une nouvelle façon de penser l'espace, le temps et la gravité. S'appuyant sur des travaux publiés en 1905, la théorie de la relativité générale a lié ce que nous considérons généralement comme des entités séparées – l'espace et le temps – dans ce qu'on appelle maintenant « l'espace-temps ».

L'espace-temps peut être considéré comme le tissu de l'univers. Cela signifie que tout ce qui bouge, le traverse. Dans ce modèle, tout ce qui a une masse déforme le tissu espace-temps. Plus la masse est grande, plus la distorsion est importante. Et puisque chaque objet en mouvement se déplace dans l'espace-temps, il suivra également les distorsions causées par les objets de grande masse.

Une façon de penser est de considérer deux enfants, l'un plus lourd que l'autre, jouant sur un trampoline. Si nous traitons la surface du trampoline comme le tissu, alors l'enfant le plus massif déforme le tissu plus que l'autre. Si un enfant place une balle près des pieds de l'autre, la balle roulera vers ses pieds ou suivra la déformation vers ses pieds. De même, lorsque la Terre tourne autour du soleil, l'énorme masse du soleil déforme l'espace qui l'entoure, laissant notre planète relativement petite suivre un chemin aussi «droit» que possible, mais dans un espace courbe. C'est pourquoi il finit par orbiter autour du soleil.

Si nous acceptons cette simple analogie, alors nous avons les bases de la gravité. Passer aux ondes gravitationnelles est une petite étape, mais très importante. Laissez l'un des enfants sur le trampoline tirer un objet lourd sur la surface. Cela crée une ondulation sur la surface qui peut être observée. Une autre façon de le visualiser est d'envisager de déplacer votre main dans l'eau. Les ondulations ou les vagues se sont propagées à partir de leur origine mais se désintègrent rapidement.

Tout objet se déplaçant à travers le tissu espace-temps provoque des vagues ou des ondulations dans ce tissu. Malheureusement, ces ondulations disparaissent également assez rapidement et seuls les événements les plus violents produisent des distorsions suffisamment importantes pour être détectées sur Terre. Pour mettre cela en perspective, la collision de deux trous noirs d'une masse dix fois supérieure à celle de notre soleil entraînerait une onde provoquant une distorsion de 1% du diamètre d'un atome lorsqu'il atteint la Terre. A cette échelle, la distorsion est de l'ordre d'un changement de 0,0000000000001m du diamètre de la Terre par rapport au changement de 1m dû à un renflement de marée.

Techniciens de l'observatoire à ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser (LIGO) travaillant à l'observatoire LIGO Livingston près de Livington, en Louisiane, sur cette photo non datée publiée par le laboratoire Caltech/MIT/LIGO le 8 février 2016. REUTERS/Caltech/MIT/LIGO Laboratory/Handout via Reuters


Commentaires

3 septembre 2016 à 8h39

Merci Ciel et Télescope. C'est le meilleur article que j'ai lu sur le développement et l'importance astrophysique de la découverte physique la plus importante à ce jour du XXIe siècle. Je suis ravi d'avoir vécu assez longtemps pour voir cela se produire,

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11 janvier 2017 à 21h59

Veuillez pardonner ma compréhension limitée dans ce domaine de la science. En lisant ce Q&A, mon esprit n'arrêtait pas de me poser une question. Pouvez-vous m'aider avec une réponse : "Le LIGO peut-il être affecté par les tremblements de terre ?" Quelque chose de si sensible-peut-être, je dois chercher plus profondément pour plus de lumière sur le sujet. Merci, et oui, merci pour ce très bel article. continuez votre bon travail.


Les astronomes trouvent des indices possibles d'ondes gravitationnelles

Une équipe internationale d'astronomes - dont 17 cornelliens - rapporte avoir trouvé les premiers chuchotements faibles et à basse fréquence qui pourraient être des ondes gravitationnelles provenant de gigantesques trous noirs en collision dans des galaxies lointaines.

Les résultats ont été obtenus à partir de plus de 12,5 ans de données recueillies auprès des radiotélescopes nationaux de Green Bank, en Virginie-Occidentale, et de la parabole récemment effondrée de l'observatoire d'Arecibo, à Arecibo, à Porto Rico.

La recherche a été annoncée le 11 janvier lors d'une conférence de presse lors de la réunion nationale de l'American Astronomical Society, tenue en ligne en raison de la pandémie de COVID-19. La conférence de presse a mis en lumière la recherche, « The NANOGrav 12.5-year Data Set: Search for an Isotropic Stochastic Gravitational-wave Background », publiée le 24 décembre dans The Astrophysical Journal Letters.

Les astronomes participent tous au projet de l'Observatoire nord-américain des nanohertz pour les ondes gravitationnelles (NANOGrav), qui utilise des pulsars – des étoiles denses en rotation rapide – qui agissent comme des détecteurs d'ondes et des chronométreurs cosmiques.

La fusion de trous noirs gigantesques crée des ondes gravitationnelles qui peuvent envoyer des ondulations dans l'espace-temps et affecter la régularité du chronométrage d'un pulsar - indiquant finalement que la position de la Terre dans l'univers peut avoir légèrement changé.

« Nous devons être clairs : nous ne prétendons pas encore avoir détecté des ondes gravitationnelles », a déclaré Shami Chatterjee, Ph.D. '03, chercheur principal de Cornell au département d'astronomie du College of Arts and Sciences (A&S). « Nous avons détecté un signal cohérent avec l'existence d'ondes gravitationnelles, mais nous ne pouvons pas encore le prouver. Nous pensons que c'est la partie émergée de l'iceberg, mais nous devons en fait le démontrer à notre propre satisfaction. »

Pour avoir une idée de la taille de ces ondes gravitationnelles, rappelez-vous la détection d'ondes par le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) au début de 2016, lorsque des scientifiques ont détecté la fusion de deux trous noirs.

La fusion a déclenché des ondes de kilohertz de plusieurs centaines de kilomètres de long, suffisamment petites pour permettre aux détecteurs terrestres de les capturer à partir de capteurs terrestres d'un kilomètre de large. Cette découverte a confirmé une prédiction majeure de la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein en 1915.

Dans le cas de NANOGrav, de gigantesques trous noirs sont en train de fusionner.

"Les masses dont nous parlons sont les trous noirs géants qui se trouvent au centre des galaxies", a déclaré James Cordes, professeur d'astronomie George Feldstein (A&S). « Ils sont un milliard de fois la masse du soleil. Ce sont des monstres.

Et ces monstres génèrent des croches gravitationnelles à l'échelle du nanohertz d'une longueur d'années-lumière, a déclaré Cordes. Ainsi, les astronomes font appel à des pulsars pour aider à détecter ces ondes.

L'article note que 47 pulsars ont été étudiés pour recueillir ces données. Actuellement, les astronomes utilisent 80 pulsars. Cordes a déclaré que le plan était que les astronomes du projet utilisent environ 200 pulsars, une fois qu'ils auront obtenu le temps du télescope sur d'autres radiotélescopes – pour remplacer le temps perdu à l'observatoire d'Arecibo, qui s'est récemment effondré.

En plus de Cordes et Chatterjee, les autres Cornelliens qui travaillent sur ce projet sont :

  • Ross Jennings, doctorant
  • H. Thankful Cromartie, chercheur postdoctoral Einstein de la NASA
  • Adam Brazier, informaticien, Cornell Center for Advanced Computing
  • Maura A. McLaughlin, Ph.D. ‘01, professeur, West Virginia University, membre de NANOgrav et co-directeur du Physics Frontier Center
  • Michael T. Lam, Ph.D. ’16, professeur adjoint, Rochester Institute of Technology
  • T. Joseph W. Lazio, Ph.D. ’97, scientifique en chef de la Direction du réseau interplanétaire, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology
  • Dustin R. Madison, Ph.D. '15, stagiaire postdoctoral, Université de Virginie-Occidentale
  • David L. Kaplan ’98, professeur agrégé invité, Université du Wisconsin, Madison
  • Dan Stinebring M.S. ’78, Ph.D. ’82, professeur émérite de physique, Oberlin College
  • Caitlin A. Witt '16, Brent J. Shapiro-Albert (ancien étudiant d'été) et Jacob E. Turner (ancien étudiant d'été), doctorants à l'Université de Virginie-Occidentale
  • Duncan Lorimer, professeur et doyen associé à la recherche, Université de Virginie-Occidentale, ancien astronome à l'Observatoire d'Arecibo
  • Zaven Arzoumanian, chercheur principal adjoint et responsable scientifique, NASA Goddard Spaceflight Center, ancien chercheur postdoctoral à Cornell et
  • Timothy Dolch, professeur adjoint, Hillsdale College, ancien chercheur postdoctoral à Cornell.

Cordes et Chatterjee sont membres du Carl Sagan Institute de Cornell.

NANOGrav – dont Cornell est un membre fondateur – est une coentreprise entre la National Science Foundation et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada. Les deux organisations ont fourni des fonds.


A quoi bon trouver des ondes gravitationnelles ?

Vous demandez, nous répondrons

Eh bien, les ondes gravitationnelles nous donnent une autre façon d'observer l'espace. Par exemple, les ondes du Big Bang nous en diraient un peu plus sur la formation de l'univers. Des ondes se forment également lorsque des trous noirs entrent en collision, des supernovae explosent et des étoiles à neutrons massives vacillent. Ainsi, la détection de ces ondes nous donnerait un nouvel aperçu des événements cosmiques qui les ont produites.

Enfin, les ondes gravitationnelles pourraient également aider les physiciens à comprendre les lois fondamentales de l'univers. Ils sont, en fait, une partie cruciale de la théorie de la relativité générale d'Einstein. Les trouver prouverait cette théorie et pourrait également nous aider à comprendre où elle s'égare. Ce qui pourrait conduire à un modèle plus précis, plus global, et peut-être ouvrir la voie à une théorie du tout.


Kurzweil Suivi de l'accélération de l'intelligence.

Simulations numériques des ondes gravitationnelles émises par l'inspiration et la fusion de deux trous noirs. Les contours colorés autour de chaque trou noir représentent l'amplitude du rayonnement gravitationnel, les lignes bleues représentent les orbites des trous noirs et les flèches vertes représentent leurs spins. (crédit : C. Henze/NASA Ames Research Center)

Le 14 septembre 2015 à 5 h 51 HAE (09 h 51 UTC) pour la première fois, des scientifiques ont observé des ondulations dans le tissu de l'espace-temps appelées ondes gravitationnelles, arrivant sur Terre à partir d'un événement cataclysmique dans l'univers lointain, le National Science La Fondation et les scientifiques de la LIGO Scientific Collaboration ont annoncé aujourd'hui. Cela confirme une prédiction majeure de la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein en 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 être obtenues d'ailleurs. 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.

L'événement d'ondes gravitationnelles du 14 septembre 2015 à 09:50:45 UTC a été observé par les deux détecteurs LIGO à Livingston, Loiusiana (bleu) et Hanford, Washington (orange). Les formes d'onde correspondantes représentent la déformation des ondes gravitationnelles supposées être générées par la fusion de deux trous noirs inspirants. (crédit : B.P. Abbott et al./PhysRevLett)

Les ondes gravitationnelles ont été détectées par les deux détecteurs jumeaux du Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), situés à Livingston, Louisiane, et Hanford, Washington. Les observatoires LIGO sont financés par la National Science Foundation (NSF) et ont été conçus, construits et exploités par le California Institute of Technology (Caltech) et le Massachusetts Institute of Technology (MIT). 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 signal balaye vers le haut en fréquence de 35 à 250 Hz avec une déformation maximale des ondes gravitationnelles de 1,0 × 10 −21 .

Illustration de la collision de deux trous noirs - un événement détecté pour la première fois par le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, ou LIGO - est vu dans cette image à partir d'une simulation informatique. LIGO a détecté des ondes gravitationnelles, ou des ondulations dans l'espace et le temps, générées lors de la fusion des trous noirs. (crédit : SXS)

Sur la base des signaux observés, les scientifiques de LIGO estiment que les trous noirs pour cet événement étaient environ 29 et 36 fois la masse du Soleil, et l'événement a eu lieu il y a 1,3 milliard d'années. Environ trois fois la masse du Soleil a été convertie en ondes gravitationnelles en une fraction de seconde avec une puissance de crête d'environ 50 fois celle de l'ensemble de l'univers visible. En regardant l'heure d'arrivée des signaux - le détecteur de Livingston a enregistré l'événement 7 millisecondes avant le détecteur de Hanford - les scientifiques peuvent dire que la source était située dans l'hémisphère sud.

Selon la relativité générale, une paire de trous noirs en orbite l'un autour de l'autre perd de l'énergie par l'émission d'ondes gravitationnelles, les faisant se rapprocher progressivement sur des milliards d'années, puis beaucoup plus rapidement dans les dernières minutes. Au cours de la dernière fraction de seconde, les deux trous noirs entrent en collision à près de la moitié de la vitesse de la lumière et forment un seul trou noir plus massif, convertissant une partie de la masse combinée des trous noirs en énergie, selon la formule E d'Einstein. =mc 2 . Cette énergie est émise sous la forme d'un puissant sursaut final d'ondes gravitationnelles. Ce sont les ondes gravitationnelles que LIGO a observées.

Comment notre soleil et la Terre déforment l'espace-temps est représenté ici avec une grille verte. Comme Albert Einstein l'a démontré dans sa théorie de la relativité générale, la gravité des corps massifs déforme le tissu de l'espace et du temps - et ces corps se déplacent le long de chemins déterminés par cette géométrie. Sa théorie a également prédit l'existence d'ondes gravitationnelles, qui sont des ondulations dans l'espace et le temps. Ces ondes, qui se déplacent à la vitesse de la lumière, sont créées lorsque des corps massifs accélèrent dans l'espace et le temps. (crédit : T. Pyle/LIGO)

L'existence des ondes gravitationnelles a été démontrée pour la première fois dans les années 1970 et 1980 par Joseph Taylor, Jr., et ses collègues. En 1974, Taylor et Russell Hulse ont découvert un système binaire composé d'un pulsar en orbite autour d'une étoile à neutrons. Taylor et Joel M. Weisberg en 1982 ont découvert que l'orbite du pulsar se réduisait lentement au fil du temps en raison de la libération d'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles. Pour avoir découvert le pulsar et montré qu'il rendrait possible cette mesure particulière des ondes gravitationnelles, Hulse et Taylor ont reçu le prix Nobel de physique en 1993.

La nouvelle découverte de LIGO est la première observation des ondes gravitationnelles elles-mêmes, réalisée en mesurant les minuscules perturbations que les ondes provoquent dans l'espace et le temps lorsqu'elles traversent la terre.

"Notre observation des ondes gravitationnelles accomplit un objectif ambitieux défini il y a plus de cinq décennies pour détecter directement ce phénomène insaisissable et mieux comprendre l'univers, et, à juste titre, remplit l'héritage d'Einstein à l'occasion du 100e anniversaire de sa théorie générale de la relativité", #8221, déclare David H. Reitze de Caltech, directeur exécutif du laboratoire LIGO.

Une vue aérienne du détecteur de l'observatoire d'ondes gravitationnelles à interféromètre laser (LIGO) à Livingston, en Louisiane. LIGO dispose de deux détecteurs : l'un à Livingston et l'autre à Hanford, Washington. (crédit : Laboratoire LIGO)

Recherche LIGO

La découverte a été rendue possible par les 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 et la découverte de la gravitation. vagues lors de son premier passage d'observation. NSF est le principal soutien financier d'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.

La recherche LIGO est menée par la LIGO Scientific Collaboration (LSC), 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 du LSC développent une technologie de détection et analysent les données. Environ 250 étudiants sont des membres importants de la collaboration. Le réseau de détecteurs LSC 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 du Université des îles Baléares en Espagne.

"Cette détection marque le début d'une nouvelle ère : le domaine de l'astronomie des ondes gravitationnelles est désormais une réalité", déclare Gabriela González, porte-parole du LSC et professeur de physique et d'astronomie à la Louisiana State University.

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

La description de cette observation est magnifiquement décrite dans la théorie d'Einstein de la relativité générale formulée il y a 100 ans et comprend le premier test de la théorie en forte gravitation. Cela aurait été merveilleux de voir le visage d'Einstein si nous avions pu le lui dire, dit Weiss.

« Avec cette découverte, nous, les humains, nous lançons dans une nouvelle quête merveilleuse : la quête pour explorer le côté déformé de l'univers – des objets et des phénomènes fabriqués à partir d'un espace-temps déformé. Les collisions entre les trous noirs et les ondes gravitationnelles sont nos premiers beaux exemples », déclare Thorne.

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.

À chaque observatoire, l'interféromètre LIGO de 2 1/2 mile (4 km) de long et en forme de L utilise une lumière laser divisée en deux faisceaux qui vont et viennent le long des bras (tubes de quatre pieds de diamètre maintenus sous un vide). Les faisceaux sont utilisés pour surveiller la distance entre les miroirs positionnés avec précision aux extrémités des bras. Selon la théorie d'Einstein, la distance entre les miroirs changera d'une quantité infinitésimale lorsqu'une onde gravitationnelle passera par le détecteur. Un changement dans la longueur des bras inférieur à un dix millième du diamètre d'un proton (10 -19 mètres) peut être détecté.

Des observatoires indépendants et largement séparés sont nécessaires pour déterminer la direction de l'événement à l'origine des ondes gravitationnelles, et aussi pour vérifier que les signaux proviennent de l'espace et non d'un autre phénomène local.

À cette fin, le laboratoire LIGO travaille en étroite collaboration avec des scientifiques indiens du Centre interuniversitaire d'astronomie et d'astrophysique, du Raja Ramanna Center for Advanced Technology et de l'Institute for Plasma pour établir un troisième détecteur LIGO avancé sur le sous-continent indien. En attendant l'approbation du gouvernement indien, il pourrait être opérationnel au début de la prochaine décennie. Le détecteur supplémentaire améliorera considérablement la capacité du réseau mondial de détecteurs à localiser les sources d'ondes gravitationnelles.

"J'espère que cette première observation accélérera la construction d'un réseau mondial de détecteurs pour permettre une localisation précise des sources à l'ère de l'astronomie multi-messagers", déclare David McClelland, professeur de physique et directeur du Center for Gravitational Physics au Université nationale australienne.

La découverte est décrite dans un article en libre accès dans Lettres d'examen physique aujourd'hui (11 février).


Fondation nationale des sciences | LIGO détecte les ondes gravitationnelles **Commencez la visualisation à 27:14**


Astronomie utilisant la gravité

Les ondes gravitationnelles, également connues sous le nom de rayonnement gravitationnel, ont été prédites par Albert Einstein à la suite de sa théorie de la relativité générale. Cette théorie décrit la gravité comme des distorsions dans la structure de l'espace-temps créées par la matière et l'énergie. Einstein s'est rendu compte que ces distorsions se déplaceraient à la vitesse de la lumière sous forme d'ondes, un peu comme la lumière elle-même peut être décrite comme une onde.

Cependant, la gravité est si faible que même une onde gravitationnelle de haute énergie pousse à peine les objets sur son chemin. Pour cette raison, notre meilleur espoir est de détecter les ondes gravitationnelles d'objets qui produisent une gravité très intense car ils emballent beaucoup de masse dans un très petit espace. Cette catégorie comprend les sources que nous avons détectées jusqu'à présent : les collisions entre les trous noirs et les étoiles à neutrons.

En 2015, un siècle après la publication par Einstein de la relativité générale, les chercheurs ont utilisé le Laser Interferometer Gravitational Observatory (LIGO) pour détecter la collision entre deux trous noirs. Deux ans plus tard, les scientifiques du LIGO ont identifié une collision entre deux étoiles à neutrons, un événement également observé à l'aide de la lumière.

L'utilisation à la fois d'ondes gravitationnelles et d'astronomie basée sur la lumière est connue sous le nom d'« astronomie multimessagers ». Il s'agit d'un développement passionnant pour les chercheurs qui étudient la structure des étoiles à neutrons et comprennent la création de nombreux éléments chimiques tels que l'or, qui sont produits lors des collisions d'étoiles à neutrons.


Quel type de bruit gêne un interféromètre ?

Mais cela devient plus compliqué. Tout, des camions qui passent aux vagues océaniques lointaines, peut secouer les rétroviseurs, provoquant un « bruit » qui brouille les mesures. C'est pourquoi LIGO n'est pas une seule machine, mais une paire d'installations avec des conceptions jumelles identiques, l'une située à Livingston, en Louisiane et l'autre à Hanford, dans l'État de Washington. En mettant près de 2 000 milles entre les deux instruments, les physiciens peuvent faire la distinction entre les secousses locales, qui ne seront ressenties que par un seul détecteur, et les ondes gravitationnelles cosmiques authentiques, qui devraient être ressenties par les deux.

LIGO's Hanford, Washington, installation

Pourtant, choisir le minuscule signal attendu d'une onde gravitationnelle à partir de vibrations de fond banales, c'est comme essayer d'entendre les grillons gazouiller lors d'un concert AC/DC. L'astuce consiste à isoler le plus parfaitement possible les miroirs de LIGO des secousses externes. Pour ce faire, Advanced LIGO dispose d'un système d'isolation entièrement repensé qui exploite sept couches de technologie différentes pour « flotter » efficacement l'optique. Pour le premier essai de LIGO, les miroirs étaient suspendus à de simples pendules. Cette fois-ci, les miroirs sont plus lourds et chacun est suspendu à des fibres de verre soudées suspendues à un quadruple pendule, c'est-à-dire un pendule suspendu à un pendule suspendu à un pendule suspendu à un pendule. Ce système de pendule quadruple est excellent pour amortir les miroirs contre les vibrations à très haute fréquence.

"Bien que le système de suspension de LIGO soit beaucoup plus complexe que celui d'une voiture, il fonctionne sur un principe similaire", explique Fabrice Matichard, chercheur au MIT, qui dirige la conception et les tests du système d'isolation sismique d'Advanced LIGO. "Quand vous allez très vite, les roues suivent les bosses, mais les roues sont découplées du cadre", vous ressentez donc une conduite en douceur. Avec LIGO, c'est comme ça, mais multiplié par quatre.

Pour gérer les tremblements de basse fréquence, Advanced LIGO utilise un nouveau système d'isolation «actif» qui détecte et corrige les vibrations en temps réel. A l'extérieur de la chambre à vide LIGO, un système hydraulique neutralise le balancement lent provenant d'effets lointains comme les marées. À l'intérieur de la chambre à vide, un autre ensemble de sismomètres déclenche deux étages d'actionneurs magnétiques qui neutralisent les vibrations à moyenne fréquence. Ce système d'isolation active permet également de contrôler le talon d'Achille du système pendulaire : sa tendance gênante à résonner à certaines fréquences, rendant les vibrations internes plus fortes au lieu de les affaiblir.

Un membre du système de suspension pendulaire

Même avec toute cette technologie de suppression du bruit, aujourd'hui, une grande partie des activités quotidiennes d'exploitation de LIGO essaie de comprendre tout le bruit de fond qu'il capte. Et maintenant, après huit années passées à s'acclimater au bruit standard de la première exécution LIGO, les physiciens se retrouvent au début.

"L'instrument est tellement différent" après la mise à niveau, a déclaré la porte-parole de LIGO, Gabriela González, professeur à la Louisiana State University, que "le bruit a l'air très différent, dans le bon sens". En fait, le même système d'isolation sismique actif conçu pour empêcher le bruit d'entrer peut introduire un nouveau bruit lorsqu'il pousse contre les miroirs, un bruit qui aurait été imperceptible dans le passé. Comme des chasseurs habiles à trouver leur proie dans un paysage, les scientifiques de LIGO doivent maintenant réapprendre à choisir leur proie dans un environnement totalement nouveau.


Une nouvelle forme étrange d'astronomie pourrait débloquer ces 4 secrets cosmiques

Des ondulations dans le tissu spatial, appelées ondes gravitationnelles, se propagent à travers l'univers, à travers tout et tout le monde.

And apparently there are a lot of them.

On Wednesday, scientists from the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) experiment announced the second-ever detection of gravitational waves — a feat Einstein thought impossible 100 years ago — emanating from two colliding black holes.

"It confirms — it super-confirms — that these events are not flukes," astrophysicist Vicky Kalogera, who has been working with LIGO to analyze the signals, told Tech Insider. "They're happening in nature and we can detect them every few months." This summer, Kalogera thinks LIGO may find 10 or more new gravitational waves, and possibly up to 100 a year later on.

Tech Insider spoke with Imre Bartos, also a physicist working with LIGO, and other researchers earlier this year about the "revolutionary" new era of astronomy they say has begun.

Here are just a handful of formerly impossible things astronomers could do with gravitational waves.


Cosmic News: Astronomers Find the Twisted Fingerprints of Inflation in the Background Glow of the Universe

Update, Jan. 31, 2015: Disappointingly, the big discovery announced here was premature. In their analysis, the scientists used preliminary data from Planck about the amount of dust in our galaxy (which looks very much like the signal from the early Universe for which they were looking), and newer analysis shows they underestimated it. This means the signal of inflation they found was actually far weaker than they first thought, and is not statistically significant that is, they can’t say if it’s real or not.

This is big news: Astronomers have announced that they have seen, for the first time, direct evidence of “inflation” in the extrêmement early Universe, unlocking an entire chapter in the history of the cosmos. It also ties together relativity and quantum mechanics in a deep and profound way, which has never been done before.

This news is very important and very interesting. However, it’s also très esoteric—probably the most layered and complex announcement I’ve ever written about. It’s not like the Higgs boson, which could at least be summed up in a sentence or two. But this new work unveils a critical point in the history of the Universe and has profound implications for physics.

I’ll note that in preparation for this announcement, Sky and Telescope put up a nice overview, as did the Gardien. My friend, the cosmologist Sean Carroll, has a fantastic writeup about it. It starts off semi-technical and becomes very technical in the second half, so be ye fairly warned, says I. He has a follow-up post with more details as well.

And Leon’s Getting LARGER

We know the Universe is expanding everywhere we look, it appears that galaxies are rushing away from us. If we run the clock backwards, this means the Universe was smaller in the past and at some point must have had (nearly) zero volume. This point in time is commonly referred to as the Big Bang, when the expansion of the Universe started. Here we are, 13.82 billion years later.

But a lot happened in the intervening time, and a lot of it happened at a teeny tiny fraction of a second after the First Moment. One of these things was inflation.

Inflation is a bit of a mind-bender, I’ll admit. It started just about 10 -35 or so seconds after the bang. To give you a better idea of how short a time interval that is, we’re talking 0.00000000000000000000000000000000001 seconds! And it only lasted until about 10 -32 or so seconds later, so it was incredibly brief by human standards. But in such fleeting moments are Universes forged.

During that period, for reasons that are still not clear, the Universe underwent a kind of hyperexpansion. Instead of simply cruising along, getting bigger with time as it does now, the expansion accelerated. Hugely. Hugely hugely. Some models show it increased in size by a factor of 10 50 (some say even more)—that’s 10 trillion trillion trillion trillion times bigger, all in a time frame so small that analogies fail me.

Like I said, inflation is a mind-bender.

Why Inflation?

The reason we think this happened is that the Universe appears very smooth. You’d expect it to be very lumpy, with some parts packed tightly with matter and energy, while other parts would be empty. But when we look at the distant and ancient Universe on really big scales, we see it’s incredibly smooth. Telescopes looking back into the deep Universe can examine the leftover heat from the birth of the Universe, and measure how bumpy it is. Amazingly, it’s smooth to one part in about 100,000 (I explain this in more detail in an earlier post). Inflation solves this problem: The Universe started out lumpy, but during the period of hyperexpansion all the lumpiness got smoothed out. It’s like having a wrinkly sheet, then pulling on it from all sides. The wrinkles vanish.

Not only that, but inflation solves a problem about the geometry, the shape of the Universe. I won’t go into detail here you can read more about it if you like. The point is, astronomers dreamed up this idea of inflation to explain some weird stuff we saw about the Universe, and it did a pretty good job. It’s held up over the years.

Photo by NSF/Harvard CMB group

But all that was indirect evidence for it. Scientists prefer direct evidence, and we don’t have any for inflation.

Ripples in the Space-Time Continuum

Jusqu'ici. That’s what these new results show. Inflationary models predict that other marks were left on the Universe, and one of these is that as the Universe underwent rapid expansion, it would create ripples in the fabric of space-time called gravitational waves. These are literally small expansions and contractions of space itself, like a wave traveling down a Slinky. We know these exist—we see their effects in astronomy, and two astronomers won a Nobel Prize in 1993 for finding an example of gravitational waves—but seeing them coming from the inflationary period of the Universe is incredibly difficult.

We don’t see the waves themselves, but we can detect the effect they had on light coming from the early Universe. The waves would polarize the light, in a sense aligning the waves of light in certain ways. There are many different ways light can be polarized, but gravitational waves left over from inflation would do so in a very specific way (called B mode polarization, which twists and curls the direction of the polarization see the image at the top of this post). Finding this kind of polarization in the light leftover from the fires of the Big Bang would be clear evidence of gravitational waves… and it was precisely this type of polarization that was finally detected by a telescope called BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), located in Antarctica.

Encore avec moi? I know, this seems all very distant and removed from our daily lives, but in fact this is a very big deal indeed. Until now, inflation was a great idea—a critical one to understand the evolution of the Universe from the very first moment after its birth to the huge structures and details we see today—with no direct evidence. Now we have direct evidence.

Filling in the Blanks

Up until now this was all like trying to write a history book about the United States and talking about the Civil War without ever knowing exactly what happened at the time … and then finding photos and diaries and battlefields. This inflation-spawned gravitational-wave-induced B-mode polarized light is like having the words appear on what were before blank pages in a chapter about the Universe itself.

This light is showing us what happened in the tiniest fraction of a second after the birth of our cosmos. C'est crucial. There are many different physical models of how inflation might have worked, and observations like this will be able to help us figure out which ones work, which ones don’t, and which ones might need tweaking. The strength of the gravitational waves was stronger than predicted by models, for example, so you know a lot of cosmologists are right now standing in front of blackboards, hunched over papers, or sitting back in their chairs with their hands interlocked behind their heads, puzzling over what variables, what parameters, what equations must be poked at to reproduce these new observations.

Inflation was a time of a huge phase change in the Universe. Finding direct evidence for it will trigger a similar phase change in the way we understand it.

I mentioned the Higgs boson earlier that beast is the linchpin in modern particle physics, and finding evidence of it was a very big deal. This discovery of evidence for gravitational waves from inflation is a similarly important event in the field of cosmology. If the findings stand up, I imagine there might be a Nobel Prize in store for someone (or someones).

But what does this meant to you? Well, that’s up to you, of course. Most of us can live our daily lives without worrying overly much about gravitational waves, subatomic particles, or what the Universe was like in the tiniest sliver of the first moment of its existence.

But think about that: We can understand what the Universe was like in the tiniest sliver of the first moment of its existence! These aren’t wild guesses, or just-so stories, or fanciful myths. This work is the result of an intense amount of research, the application of math, science, physics, and technology over hundreds of years, the painstaking acquisition of knowledge that must withstand the fires of scientific scrutiny and skepticism to survive. And so far, they have.

There are practical concerns here as well. Inflation is based on principles of quantum mechanics, while gravitational waves are the purview of relativity. QM has brought us computers, solar power, atomic energy—a huge amount of modern tech. Relativity is critical in many aspects of our lives as well, including GPS and also nuclear power. In the past these two concepts haven’t played well together, but now we have a direct and profound connection between them. This result is new, and we have a long, long way to go to understand it better. There’s no way to know what will result from this. Encore. But whenever we open up new fields of science, all sorts of interesting things follow. Pariez dessus.

And a final note. I am not a cosmologist I am an astronomer. But I’m also a human, and when I look out into the dark sky at night or gaze at a gorgeous image from a telescope, I wonder how this all came to be, why things are the way they are, and how they happened to shape themselves into the Universe we see today. I bet you’ve wondered about them too.

These questions have been asked since we’ve been able to ask questions. Science is now answering them.