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Onde gravitationnelle

Définition

Dans le cadre de la relativité générale les ondes gravitationnelles sont définies comme les perturbations de la métrique qui du point de vue des équations d'Einstein sont découplées des perturbations du tenseur énergie-impulsion. D'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de la symétrie de rotation en trois dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son...), les ondes gravitationnelles ont une symétrie tensorielle (mathématiquement on parle de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au...) 2), par opposition aux perturbations de la matière qui ont soit une symétrie scalaire (Un vrai scalaire est un nombre qui est indépendant du choix de la base choisie pour exprimer les vecteurs, par opposition à un...) (spin 0), soit une symétrie vectorielle (spin 1).

L'existence des ondes gravitationnelles est donc une prédiction de la théorie de la relativité générale. La courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de...) de l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise notamment par Minkowski en 1908 dans un exposé mathématique sur la géométrie de l'espace et du temps telle...) dépend de la répartition de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du...) qui s'y trouve, le déplacement d'objets massifs modifie (localement) cette courbure. La propagation des déformations (oscillations de l'espace-temps) se fait par l'intermédiaire des ondes gravitationnelles à la vitesse (On distingue :) de la lumière (dans le vide).

De façon imagée, on peut dire que l'intensité de la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) doit fluctuer lors du passage d'une onde gravitationnelle (Dans le cadre de la relativité générale les ondes gravitationnelles sont définies comme les perturbations de la métrique qui du point de vue des équations d'Einstein sont découplées des perturbations du...) comme la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu...) de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) monte et descend lorsque passe une vague (Une vague est un mouvement oscillatoire de la surface d'un océan, d'une mer ou d'un lac. Les vagues sont générées par le vent et ont une amplitude...).

L'analogie existant en relativité générale entre des charges électriques en mouvement et des masses en mouvement permet de mieux comprendre le phénomène : de la même manière que l'accélération de particules chargées produit des ondes électromagnétiques, l'accélération de particules possédant une masse devrait produire des ondes gravitationnelles. Cette comparaison est toutefois limitée car dans le cas particulier d'un effondrement gravitationnel d'une masse parfaitement sphérique aucune onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...) gravitationnelle n'est émise malgré la forte accélération subie par la matière (c'est le théorème de Birkhoff).

La plupart des théories de gravité quantique postulent l'existence d'un quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite...) correspondant appelé le graviton (Le graviton est une particule élémentaire hypothétique qui transmettrait la gravité dans la plupart des systèmes de...) de façon analogue à l'électrodynamique quantique dans laquelle le vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de...) de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au...) électromagnétique n'est autre que le photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement...). L'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde...) gravitationnelle est considérée comme l'onde associée au graviton, et ses caractéristiques donnent alors de précieuses informations sur la particule .

Degrés de libertés

Les ondes gravitationnelles ont deux polarisations indépendantes ce qui est équivalent à dire qu'elles possèdent deux degrés de liberté. Pour trouver l'origine de ce nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) il faut considérer le tenseur métrique dans son ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) qui est décrit par une matrice symétrique contenant 10 entrées indépendantes et soustraire tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord les degrés de liberté non-physiques associés à l'invariance de la théorie sous la symétrie de reparamétrisation de l'espace-temps. Ceux-ci sont au nombre de 4. Il faut également soustraire les degrés de liberté qui sont couplés aux perturbations du tenseur énergie-impulsion. Il y a un tel degré scalaire et trois degrés vectoriels. Au final il ne reste donc bien plus seulement que deux degrés de propagation physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...)[1].

Détection des ondes gravitationnelles

Illustration du projet LISA, vue d'artiste
Illustration du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande...) LISA, vue d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités suivantes :)

La détection des ondes gravitationnelles est un enjeu scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un...) car des mesures sur les propriétes de ces ondes donneraient des informations sur la structure même de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.).

L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens...) du pulsar (Un pulsar, dont le nom provient de l'abréviation de pulsating radio source (source radio pulsante), est le nom donné à une étoile à neutrons tournant très rapidement...) binaire PSR B1913+16, découvert en 1974 a permis aux physiciens Russell Hulse et Joseph Hooton Taylor (qui reçurent le Prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les dernières volontés du testament du chimiste Alfred Nobel. Il récompense des figures scientifiques éminentes s'étant...) en 1993 pour ces travaux) de mettre en évidence l'effet de ces ondes gravitationnelles. Ce pulsar est un sytème binaire composé de deux étoiles à neutrons en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent...) de leur centre de gravité commun. Le comportement de ce système s'écarte notablement des prédictions de la mécanique newtonienne. Par contre, il a été observé que ce système perdait de l'énergie, conformément aux prédictions de la relativité générale, qui prédit qu'un tel système diffuse de l'énergie sous la forme d'ondes gravitationnelles. L'observation des modifications de l'orbite du système PSR B1913+16 a permis de mesurer avec précision l'énergie rayonnée et est compatible avec les prévisions faites par la relativité générale. Russell Hulse et Joseph Taylor ont été récompensés par le prix Nobel de physique en 1993 pour cette découverte.

Toutefois, on n'a jamais pu observer directement de rayonnements gravitationnels. C'est-à-dire que personne n'a encore été témoin d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction...) physique se déformant réellement pendant le passage d'une onde gravitationnelle, bien qu'il y ait eu un certain nombre de rapports non confirmés. L'observation confirmée d'ondes gravitationnelles serait une autre évidence importante de la validité de la relativité générale.

Une des raisons pour laquelle on n'a pas encore pu détecter directement ces ondes est leur très faible intensité, de sorte que les signaux, s'ils existent, sont noyés sous le bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la...) produit par d'autres sources. Les sources terrestres ordinaires seraient de toute façon indétectables, en dépit de leur proximité. Seuls des événements produits par des objets extrêmement massifs comme la collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) entre deux trous noirs seraient susceptibles d'être détectés.

Techniques de détection

Elles consistent à détecter un minime déplacement relatif de deux ou plusieurs objets secondaire au passage d'une onde gravitationnelle. Ce déplacement est quantifiée par la mesure précise des distances séparant chaque objet (mesure faite par interféromètres à laser).

Un certain nombre d'équipes travaillent à rendre les détecteurs de gravité plus sensibles et plus sélectifs aux ondes et à analyser leurs résultats.

Une technique généralement utilisée pour réduire les effets du bruit doit employer la détection de coïncidence pour pouvoir ignorer les événements qui ne s'enregistreraient pas sur les deux détecteurs.

Il y a deux types communs de détecteurs terrestres utilisés dans ces expériences :

  • les interféromètres à laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser...) où la distance parcourue par la lumière du laser est très longue, tels que VIRGO (3 km, à Pise, France/Italie), GEO (Geo était une marque de voiture qui appartenait à General Motors. La marque est apparue en 1989 aux États-Unis et elle fut absorbée par Chevrolet en 1998. À...) (600 m, à Hanovre, Allemagne/Grande-Bretagne), LIGO (LIGO (pour Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un projet d'interféromètre américain, destiné à détecter les ondes gravitationnelles.) (4 km, Hanford et Livingston, États-Unis d'Amérique), TAMA (L'interféromètre TAMA est un projet japonais d'interféromètre de type Michelson.) (300 m, Japon), et ACIGA (Australie). La précision atteinte est de l'ordre de la taille d'un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. La...).
  • les détecteurs à résonance qui utilisent des grandes masses à températures très basses, comme EXPLORER et NAUTILUS.

Un moyen de s'affranchir du bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) terrestre est de réaliser l'expérience de détection dans l'espace. C'est le projet de l'interféromètre LISA, constitué de trois satellites (Satellite peut faire référence à :) devant orbiter (Orbiter est un simulateur de vol spatial réaliste, diffusé sous forme de graticiel (mais non open source), pour le système d’exploitation Windows, créé par le Dr Martin...) à près de 5 millions de kilomètres les uns des autres. Le lancement est prévu entre 2009 et 2015.

En novembre 2002, une équipe de chercheurs italiens de l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare et de l'université de Rome ont produit une analyse de leurs résultats expérimentaux qui semble donner une autre preuve indirecte de l'existence des ondes gravitationnelles.

Leur article, intitulé « Étude des coïncidences entre les détecteurs d'ondes gravitationnelles EXPLORER et NAUTILUS en 2001 », est basé sur une analyse statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une méthode...) des résultats de leurs détecteurs qui prouve que le nombre de détections coïncidantes est le plus grand quand les deux détecteurs se dirigent dans le centre de la Voie lactée.

La recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) d'ondes gravitationnelles demande une somme de calculs faramineuse. C'est la raison d'être du projet Einstein@Home, fondé sur le principe de calcul réparti : des particuliers peuvent mettre à disposition les moments d'inactivité du processeur (Le processeur, ou CPU (de l'anglais Central Processing Unit, « Unité centrale de traitement »), est le composant de l'ordinateur...) de leur ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques permettant de manipuler des...) afin de seconder modestement les scientifiques dans leur recherche.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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