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Mise à jour 18 Octobre 2017

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CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF
 «À LA RECHERCHE DE CONTREPARTIES LUMINEUSES
AUX ONDES GRAVITATIONNELLES»

Par Fréderic DAIGNE

Astrophysicien IAP  Université P et M Curie.

À TelecomParisTech 46 rue Barrault Paris 13.

Le Vendredi 13 Octobre 2017 à 19H00  Amphi Thévenin

 

Photos : JPM et DB pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)

Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos et des animations.

Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation, elle est disponible sur ma liaison ftp et se nomme :

Daigne-OG-SAF-2017-10-13.pdf, qui se trouve dans le dossier CONF-MENSUELLES-SAF/ saison 2017-2018. . 

Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.

 

Malheureusement un incident technique a fait que cette conférence n’a pas pu être diffusée en direct ni enregistrée, toutes mes excuses à notre public distant. Cela ne se reproduira plus j’espère. Par contre dans les références plus bas on signale une vidéo un peu similaire à sa présentation de ce soir.

Cette conférence a été filmée en vidéo (grâce à UNICNAM et IDF TV) et est accessible sur Internet

On la trouve à cette adresse   disponible dans quelques jours

 

 

 

 

 

Frédéric Daigne est professeur à l’Université Pierre et Marie Curie (UPMC) et directeur adjoint de l’Institut d’astrophysique de Paris (CNRS/UPMC). Son domaine de recherche est l’astrophysique des hautes énergies.

 

Il s’est d’abord intéressé aux sursauts gamma (GRB), les phénomènes les plus puissants et violents de l’Univers. Puis il est passé au rôle des coalescences d’étoiles à neutrons dans la synthèse des éléments lourds (>Fer)

 

 

Il nous entretient ce soir justement du rôle de ces étoiles à neutrons et trous noirs et de leur coalescence. Sujet particulièrement actuel, étant donné l’annonce qui devrait être faite dans les jours qui suivent. Voir le CR dans les astronews

 

 

 

 

 

LES ONDES GRAVITATIONNELLES.

 

Rappelons que les ondes gravitationnelles sont une déformation du tissu de l'espace-temps qui se propage à la vitesse de la lumière.

Elles ont été prédites par Einstein en 1916.

C'est une manifestation de la courbure de l'espace-temps.

 

Elles sont engendrées par l’accélération de la matière.

 

Le principe de détection a déjà été décrit dans ces colonnes : il est basé sur l’interférométrie Laser, on mesure la déformation (minime 10-21 !!!) de la longueur des bras. Les Ondes Gravitationnelles ne déforment pas la longueur de chaque bras de la même façon.

 

Ce sont les instruments LIGO, VIRGO et GEO qui sont pour le moment en service ou vont l’être bientôt.

Leur gamme de fréquences de détection : 10Hz à 1000Hz.

 

Comme on le sait maintenant on a bien détecté la coalescence de deux TN de masse approx 30 masses solaires pour la première fois le 14 sept 2015.

 

 

 

Les orbites se rétrécissent et dans la fusion, une quantité importante (3 masses solaires) est émise sous forme d’OG.

 

Il y a donc une phase spiralante sans contact (inspiral en anglais) et coalescence (merger) puis relaxation (ringdown).

 

Ces différentes phases participent à l’émission d’Ondes Gravitationnelles comme on le voit sur la diapo ci-contre.

 

 

 

 

 

 

 

L’évènement de septembre 2015 avait un rapport signal/bruit (SNR : signal noise ratio) de 24 ce qui est relativement bon.

L’amplitude permettait de déterminer la distance : 410Mpc !

 

L’évolution de la fréquence donnait une idée des masses en jeu : 36 et 29 Masses solaires. Pour une masse en coalescence de 62 M sol.

 

Le décalage des temps d’arrivée permettait une localisation approximative de l’évènement.

 

Les TN tournaient à 60% de la vitesse de la lumière.

 

 

 

 

D’OÙ VIENNENT LES OBJETS COMPACTS (TN ET ÉTOILES À NEUTRONS)?

 

Un rappel sur la source d’énergie des étoiles : la transformation de l’Hydrogène en Hélium

 

4 1H + 2 e- 4He + 2 ne + énergie (26,2 MeV + 0,5 MeV (neutrinos))

 

Signalons que ces neutrinos sont détectés en partie dans des grandes installations comme Super Kamiokande au Japon.

 

Les étoiles moyennes, comme notre Soleil, quand elles ont consommé leur Hydrogène, se transforment : (NdlR)

Le noyau va se tasser sous la pression de la masse de l’Hélium formé.

En se contractant, la température en son centre va considérablement augmenter. (100 millions °)

De nouvelles réactions nucléaires vont alors se déclencher, l’He va fusionner et donner naissance à C et O par exemple. (rapide 10 Ma) Les couches externes ne peuvent plus lutter contre la pression nucléaire, l’étoile gonfle (100 fois sa taille d’origine typiquement) et en conséquence sa température de surface baisse.

Elle devient une géante rouge. (épisode qui dure 500Ma approx.)

Finalement elle explose en donnant naissance à une nébuleuse planétaire ayant en son centre le reste de l’étoile, une naine banche, un objet très compact, dont la taille est celle de la Terre et la masse est celle de l’étoile d’origine, et qui va s’éteindre lentement. (Exemple de naine blanche : Sirius B)

Les nébuleuses planétaires sont un des plus beaux spectacles d’observations astronomiques.

 

 

Mais les étoiles plus massives ont une fin de vie beaucoup moins calme. (NdlR) :

À la fin de sa vie, notre étoile massive (au moins 5 à 10 fois le Soleil) n'ayant plus d'Hydrogène à brûler, son équilibre va être rompu, la gravitation devient dominante, et la contraction du cœur qui en résulte va faire augmenter sa température; l'étoile va se mettre à brûler ses "cendres", l'Hélium; jusqu'à produire de nouveaux éléments plus lourds comme le Carbone, puis l'Oxygène, puis le Silicium etc.

Quand un combustible est épuisé, l'étoile s'effondre sur elle-même. Se produit une nouvelle élévation de température, et donc nouvelle combustion etc..

Les éléments les plus lourds vont au centre de l’étoile.

Notre étoile possède alors une structure d'oignon avec les éléments les plus lourds au centre.

On arrive ensuite toujours par fusion au Fer, élément très stable.

Là s'arrête cette production d'éléments lourds.

Au-delà, les réactions de fusion ne libèrent plus d’énergie mais en consomment

À un certain moment l’effondrement s’arrête, la couche la plus profonde est en Fer.

Lorsque la masse de ce noyau de Fer dépasse une certaine limite (1,4 masse solaire), il implose!

Les couches extérieures sont attirées par le centre, se produit alors une sorte de rebond de ces couches sur les couches internes. Une onde de choc très énergétique se propage vers l’extérieur.

Énergie colossale, température de centaine de milliards de K  Luminosité = celle d’une galaxie entière

Une super nova est née! Voir SN du Crabe (M1).

 

Un tel effondrement est d’une grande efficacité énergétique : 10% de mc2 !

 

 

Cette supernova peut aussi évoluer en fonction de la masse de l’étoile et donner naissance soit à :

·         Une étoile à neutrons de densité gigantesque, La gravité devient si forte que la plupart des particules se transforment en neutrons Elle a un diamètre de quelques km!!!! Soit à

·         Un trou noir, si la masse de ce cadavre d’étoile est très importante, c’est une région de l’espace d’où la lumière ne peut pas s’échapper.

 

 

LES SYSTÈMES BINAIRES COMPACTS.

 

 

 

On voit ici les différentes étapes de la formation difficile de systèmes binaires compacts.

 

(NS = Neutron Star)

La matière libérée au moment de la coalescence participe à la nucléosynthèse des éléments lourds (au-delà du Fer).

Ces éléments ne proviennent pas seulement de ce que l’on croyait avant : des supernovæ.

Il semble bien que la coalescence d’étoiles à neutrons soit plus efficace que les SN pour former les éléments au-delà du Fer.

 

 

 

 

 

ET LA CONTREPARTIE LUMINEUSE ?

 

 

 

Voici l’état final d’une coalescence de deux étoiles à neutrons et l’émission lumineuse qui devrait s’en suivre (ce sera confirmé quelques jours plus tard).

 

Ce flash extrêmement lumineux se trouverait dans le domaine gamma, c’est un sursaut gamma, mais serait aussi dans le domaine visible.

 

Ce serait une des origines des sursauts gamma courts.

 

 

 

 

 

 

 

Cela proviendrait d’un élément compact moins lumineux qu’une supernova, ce que l’on va appeler kilonova.

 

 

LES SURSAUTS GAMMA.

 

Se reporter au CR de l’excellente conférence de F Daigne de 2015 sur ce sujet, aussi je serai bref sur cette partie là

 

 

http://www.planetastronomy.com/special/supernovaiap%20%20report%20oct2004_fichiers/image025.gifLes sursauts gamma (ou GRB) sont des flashes très énergétiques de rayonnement gamma.

Ils sont classés en deux catégories :

·        Les GRB courts : moins de 2 sec

·        Les GRB longs : plus de 2 sec.

 

Ci contre une animation par feu le satellite Compton-BATSE (Burst and Transient Source Experiment) d'un GRB de 5 secondes de durée.

 

 

 

 

 

Les spectres sont non thermiques, c’est à dire qu’ils ne correspondent pas à celui d’un corps noir, ils sont émis par des particules accélérées.

La question se pose alors de savoir quel est l'événement qui produit le GRB?

Il y a principalement deux causes : des étoiles très massives qui s'effondrent en trou noir, ou des systèmes stellaires binaires (coalescence) comportant soit une étoile à neutrons soit un trou noir.

La première catégorie est généralement accompagnée d'un GRB et donne des sursauts "longs" et la deuxième des sursauts "courts".

Les courbes de lumière sont variables aussi

 

Ces sursauts semblent provenir de très loin, sinon ils seraient plutôt répartis dans le plan galactique s’ils appartenaient seulement à notre galaxie. Ils sont donc à distance cosmologique.

Le plus âgé détecté était à 500Ma du BB.

 

Les sursauts gamma sont les sources les plus énergétiques de l’Univers.

 

 

Le modèle physique des GRB :

 

Les sources sont très petites, des trous noirs.

Voilà ce que l’on imagine :

 

Une source centrale entourée d’un disque d’accrétion, éjecte de la matière relativiste dans un cône

 

Je reprends le texte de F Daigne sur son site :

 

http://www.planetastronomy.com/special/2015-special/05mai/clip_image022.jpgEn (1) un événement initial catastrophique (effondrement gravitationnel d’une étoile très massive en fin de vie ou coalescence d’un système binaire de deux étoiles à neutrons) conduit à la formation d’un trou noir de masse stellaire entouré d’un disque d’accrétion; (2) ce système trou noir + disque, par un mécanisme mal compris, éjecte de la matière à vitesse proche de celle de la lumière (phases 1 et 2 sur le schéma ci-contre). A grande distance de la source centrale, l’éjecta devient transparent (étape 3 du schéma) et peut donc éventuellement convertir une partie de son énergie cinétique en rayonnement ; (3) des ondes de choc se forment dans ce jet relativiste (chocs internes, étape 4 du schéma) et les électrons accélérés dans ces chocs émettent les photons gamma observés pendant le sursaut proprement dit; (4) le jet relativiste finit par être freiné par le milieu environnant. Deux nouveaux chocs se forment : un choc très violent qui se propage dans le milieu extérieur (choc externe, numéro 7 du schéma) et un choc en retour (numéro 5 du schéma) qui parcourt le jet. Une surface de discontinuité (numéro 6 du schéma) marque la frontière entre le milieu extérieur choqué et le jet. La rémanence est produite pendant cette phase de freinage. A la toute fin de son évolution (étape 8 du schéma), le jet devient non-relativiste, s’évase et on obtient sur le long terme un objet peu différent d’un reste de supernova.

 

Note: sur ce schéma, l’ordre de grandeur des distances est donné sur le côté gauche, par le logarithme de la distance en mètres (9 correspond donc à 1 milliard de mètres).

 

 

Exemple d’un jet relativiste : la galaxie M87.

 

 

 

LES GÉNITEURS DES GRB.

 

Il y a bien deux types : les longs et les courts.

 

 

Dans les deux groupes, le scénario est le même :

- naissance d’un trou noir accrétant, éjection relativiste

- l’émission gamma est produite dans le jet

- la rémanence est émise lors du freinage du jet par l’environnement

 

En revanche, ce n’est pas le même événement initial qui déclenche ce scénario…

 

 

 

 

Les sursauts longs sont principalement associés aux explosions d’étoiles massives, tandis que les courts semblent être associés à la coalescence de deux étoiles à neutrons.

 

 

 

NOUVELLE MISSION DÉDIÉE AUX GRB.

 

 

C’est la mission sino-française sur laquelle travaille notre conférencier : SVOM pour Space based multi-band astronomical Variable Objects Monitor.

 

 

La mission SVOM est un projet dédié à la détection et à l'étude détaillée des sursauts gamma dont le lancement est prévu pour 2021.

 

Document CEA :

La spécificité de cette mission repose sur une approche multi-longueur d’onde des sursauts gamma. 

A bord du satellite seront associés quatre instruments : un télescope X-dur gamma déclencheur de l’alerte du sursaut (ECLAIRs), un ensemble de détecteurs gamma fonctionnant à plus haute énergie (GRM), un télescope X (MXT) et un télescope opérant dans le mode visible (VT).  Grâce à ses télescopes spatiaux, SVOM donnera la position du sursaut en temps quasi réel via un réseau d’antennes VHF placé judicieusement  sous la trace du satellite à la surface du globe.

 

 

 

 

CONCLUSION.

 

·         Avec les premières détections directes d’ondes gravitationnelles (coalescences de deux trous noirs de masse stellaire), une nouvelle fenêtre pour l’astronomie vient de s’ouvrir !

·         Du point de vue de la détection des ondes gravitationnelles : le prochain défi consiste à détecter d’autres sources, en particulier des coalescences de deux étoiles à neutrons. (ce sera fait officiellement deux jours plus tard, voir CR spécial)

·         Du point de vue de l’astronomie « multi-messagers », le défi suivant consistera à détecter une émission lumineuse associée à une émission gravitationnelle. Les sources les plus prometteuses sont l’association « coalescence de deux étoiles à neutrons - sursaut gamma court - kilonova ». (même remarque)

·         Du point de vue instrumental, c’est un défi extrêmement compliqué ! Des projets comme SVOM s’y attaquent.

·         Le jeu en vaut la chandelle : les deux fenêtres sont très complémentaires. Les ondes gravitationnelles nous renseignent sur l’événement initial et la source centrale alors que l’émission lumineuse nous permet d’accéder à l’éjection relativiste, à l’interaction avec l’environnement, etc.

 

 

 

 

 

POUR ALLER PLUS LOIN :

 

La détection des ondes gravitationnelles : CR de la conf SAF de Luc Blanchet (Cosmologie) du 28 Mai 2016

 

Trous noirs et ondes gravitationnelles : CR conf SAF d’Éric Gourgoulhon du 10 Fev 2016

 

Ondes Gravitationnelles :.LIGO et Virgo en pleine action ! (29/09/2017)

 

Phénomènes explosifs et astres compacts par Thierry Foglizzo du CEA (IRFU)

 

Les sursauts gamma, INTEGRAL traque les explosions d'étoiles par l’IRFU

 

Les travaux de recherche de F Daigne.

 

A la recherche des premières explosions stellaires avec SVOM

 

 

 

Vidéo de la conférence de F Daigne de l’IAP sur les sursauts gamma.

 

 

 

 

Prochaine conférence mensuelle de la SAF : Vendredi 10 Novembre  19H00

 

CONFÉRENCE DE DANIEL VIGNAUD 
Laboratoire d'AstroParticule et Cosmologie (APC) de l'Université Paris 7   SUR

« L'OSCILLATION DES NEUTRINOS DE B. PONTECORVO AU PRIX NOBEL DE 2015»

 

 

Entrée libre mais réservation obligatoire. (Vigipirate) À partir du 14 Octobre 2017  

 

 

 

Bon ciel à tous

 

 

Jean Pierre Martin   Président de la commission de cosmologie de la SAF

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