mise à jour le 20 Juillet 2005

"SONDER LES TROUS NOIRS
AVEC LES ONDES GRAVITATIONNELLES"

par Éric GOURGOULHON
Astrophysicien, Directeur de recherche au CNRS, LUTH

MARDI 12 JUILLET 2005
Le siècle d'Einstein à l'UNESCO Paris

Photos : JPM. Pour l'ambiance

Je ne propose que des comptes rendus succincts de ces conférences, le site http://einstein2005.obspm.fr/indexp.html devrait mettre en ligne le texte de toutes les conférences bientôt.

BREF COMPTE RENDU

Notre conférencier nous explique d'abord ce que sont les ondes gravitationnelles (gravitational waves en anglais).

Les ondes gravitationnelles, prévues par Einstein, sont des vibrations de l'espace-temps créées par des masses en accélération; mais ces vibrations sont tellement faibles qu'elles n'ont pas été encore détectées sur Terre.

Nous vivons dans un espace à trois dimensions (3 nombres pour les coordonnées: x,y,z), le temps est une dimension supplémentaire (un nombre t pour localiser un événement).

L'espace-temps correspond à l'unification de ces notions dans un continuum mathématique développé principalement par Albert, Poincaré et Minkowski.

Dans l'espace Newtonien où nous vivons tous les jours, tous les observateurs mesurent le même temps.

Ce n'est plus le cas dans un espace relativiste (au sens relativité restreinte RR), il n' y a plus de temps universel.

La simultanéité est relative.

Cet espace-temps de la RR (espace affine de dimension 4) convient bien pour l'électromagnétisme, mais ne convient pas pour la gravitation.

À cet effet Albert Einstein avait élaboré sa théorie de la relativité générale (RG).

L'espace-temps de la RG (espace courbe de dimension 4) convient bien pour l'électromagnétisme et pour la gravitation.

Comparaison gravitation newtonienne et gravitation relativiste.

Elle apparaît sur la photo ci-contre, à gauche Newton, à droite Albert.

La Terre (10^-10) et le Soleil (10^-6) sont dans un champ de gravitation faible, donc Newtonien OK.

Les étoiles à neutrons (0,2) et les trous noirs (1) sont dans des champs de gravitation forts, Albert doit être employé.

Suivent maintenant quelques équations différentielles avec Dalembertien que je vous épargne (bon je n'ai pas eu le temps de les noter, mais ne le dites à personne), pour aboutir aux équations d'onde.

Les ondes gravitationnelles sont des perturbations dans la courbure de l'espace-temps.

Elles traduisent la dynamique de l'espace-temps et sont engendrées par l'accélération de la matière.

Eric Gourgoulhon nous fait remarquer que les ondes électromagnétiques sont aussi des perturbations du champ électromagnétique qui se propagent dans l'espace-temps, alors que les Ondes gravitationnelles sont des ondes de l'espace–temps lui-même!!

Photo : section spatiale à deux dimensions d'un espace-temps engendré par un système binaire de trous noirs.

Effet du passage d'une onde gravitationnelle (OG).

Comme ce sont des vibrations, la distance entre deux masses de références doit varier au passage de l'onde; mais cette variation est de l'ordre de …………..10^-21!!!

C'est si petit que nos sens n'y sont pas sensibles. Donc pas d'espoir de détection à ce niveau là.

Mais au niveau de l'Univers, cela devrait être possible. En effet les objets compacts (dont les trous noirs) émettent des OG.

En fait seuls les objets compacts émettent des OG, c'est la cas par exemple du système binaire d'étoiles à neutrons PSRB1913+16.

Les OG existent, cela a été couronné par le prix Nobel en 1993 pour Taylor et Hulse, mais on ne les a pas encore mises en évidence.

Détection des OG sur Terre.

C'est le projet VIRGO qui est en construction dans la région de Pise en Italie, à Cascina exactement.

(photo : CNRS/INFN)

C'est un projet franco-italien (CNRS et INFN) de construction d'un interféromètre géant (bras de 3km) qui devrait détecter le passage des OG.

Début de la construction en 1996, premières franges d'interférences en Mars 2004, opérationnel fin 2006.

Composé de deux bras de 3km à 90°.

Il y a d'autres projets similaires sur Terre : LIGO (aux USA) ; GEO (en Allemagne); TAMA (au Japon) etc…

Mais ils fonctionnent tous sur le même principe.

Le principe de base est un interféromètre, c'est à dire que l'on veut mesurer lors du passage d'une OG la différence entre deux chemins situés à 90° l'un de l'autre (comme l'expérience de Michelson et Morley).

C'est un challenge car il faut être capable de mesurer une différence de chemin optique de 10^-18m sur 3000m!!!!

Il faut aussi éliminer toutes les perturbations et isoler complètement l'instrument.

Voir dans les références de nombreuses présentations sur ce sujet.

Détection des OG dans l'espace.

C'est le fameux projets LISA que vous connaissez bien et dont j'ai parlé dans un astronews précédent, reportez vous y, c'est assez impressionnant comme mission.

Les Trous Noirs et les Ondes Gravitationnelles.

Tous les deux sont des distorsions de l'espace-temps, les TN sont des distorsions extrêmes et les OG des distorsions minimes.

Un trou noir se désexcite par émission d'OG.

Un trou noir est une région de l'espace-temps déconnecté causalement du reste de l'Univers, dans le sens où aucune géodésique (trajectoires) de lumière n'en sort. La "frontière" qui sépare le trou noir du reste de l'univers s'appelle l'horizon (event horizon).

Les TN sont les plus compacts des objets compacts, on ne peut décrire leur comportement qu'à l'aide de la RG.

Théorème d'unicité (Carter Hawking, Israel) : un TN en équilibre est complètement décrit par sa Masse, sa charge électrique et son Moment cinétique, ce qui se traduit par : Un trou noir n'a pas de cheveux!! (comme le disait de façon imagée John Wheeler).

Un TN hors d'équilibre, "perd ses cheveux" par émission d'OG.

Les trous noirs hors d'équilibre sont par exemple cœur de supernova, coalescence de système binaire (source la plus importante d'OG) et micro quasar.

Les masses de trous noirs mises en jeu alors correspondent à des fréquences différentes des OG :

Pour M = 10 Ms : 1,2kHz (0,55ms) détectable par VIRGO

Les trous noirs stellaires (peu massifs) nous font espérer une détection par VIRGO ou LIGO entre 1 par jour à 1 par an.

Pour M = 10⁶ Ms : 12 mHz (55s) détectable par LISA.

Les trous noirs super massifs pourraient déclencher les détecteurs de LISA de 1 à 1000 par an.

Conclusions :

Les ondes gravitationnelles sont très différentes des ondes électromagnétiques, ce sont des ondes de la structure même de l'espace-temps, engendrées par les mouvements de masse énergie.

Elles sont émises par les objets les plus relativistes de l'Univers essentiellement, les objets compacts : trous noirs , étoiles à neutrons.

Elles interagissent très peu avec la matière ce qui a pour conséquences :

Elles peuvent nous parvenir de régions très denses, opaques aux photons et aux neutrinos, comme les cœur de Supernovae, et voyagent sans absorption.

Elles sont donc en contrepartie difficiles à détecter.

On a acquis le preuve de leur existence mais on ne les a pas encore détectées sur Terre.

Les nouvelles techniques de détection interférométrique devraient ouvrir l'ère de l'astronomie gravitationnelle, une nouvelle fenêtre sur l'Univers.

POUR ALLER PLUS LOIN :

What are Gravity Waves? : une présentation en PPT de 10,4MB (nécessite le haut débit pour télecharger) par J Jacob de l'University of Western Australia : formidablement bien fait et didactique à voir en premier pour comprendre.

The detection of Gravity Waves de l'University of Western Australia 111 pages pdf (5MB) très complet mais aspirine nécessaire.

Gravity Waves par l'Université de Glasgow format PPT 2,3MB Bien

Rapport sur VIRGO par Éric Gourgoulhon : 1,9MB 10 pages pdf en français.

Commissioning of the VIRGO spectrometer par R Flaminio 35 pages pdf (anglais)
Un texte similaire sur VIRGO par le même auteur mais en Power Point de 1,5MB.

Inauguration VIRGO en français.

Observing Black Holes with gravitational waves par Éric Gourgoulhon 38 pages format pdf, très clair.

Traquer les OG chez soi pendant les moments d'inactions de votre PC.

Einstein @ home : lié au sujet précédent.

VIRGO Home page.

EGO Home page

Les ondes gravitationnelles : explications simples en anglais.

Ripples in space time : bien fait et clair.

Tout ce qu'il faut savoir sur les trous noirs (en anglais).

Relativité et trou noir par Thibault Damour ; beaucoup de formules mathématiques :

Home page de Éric Gourgoulhon au LUTH.

C'est tout pour aujourd'hui!

Bon ciel à tous

Jean Pierre Martin www.planetastronomy.com