Comment mesurer les champs magnétiques au sein des systèmes binaires émetteurs d'ondes gravitationnelles ?

Publié par Adrien le 28/09/2022 à 09:00
Source: CEA IRFU
La mission spatiale LISA (Laser Interferometer Space Antenna), menée conjointement par l'Esa et la Nasa, permettra d'observer les ondes gravitationnelles depuis l'espace. Après son lancement prévu aux alentours de 2035, LISA observera dans le domaine des basses fréquences du spectre gravitationnel encore non exploré et capturera ainsi le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) gravitationnel en provenance de sources qui, à l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur...) actuelle, ne sont pas résolues dans la gamme des hautes fréquences des détecteurs au sol tels que Virgo, LIGO (LIGO (pour Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un projet...), KAGRA, ou encore GEO600.

LISA tire ainsi partie de la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) de sa base de 2.5 millions de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système...) à comparer par exemple à la base de 4 kilomètres de Virgo. Parmi ces nouvelles sources d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) gravitationnelles, les plus représentées seront les binaires galactiques, dont le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de détections devrait s'élever à plusieurs dizaines de milliers.


Figure 1: représentation de LISA en train d'observer une binaire galactique (crédits: collaboration LISA)

Les binaires galactiques sont des systèmes doubles composés d'étoiles à neutrons ou de naines blanches dans différentes combinaisons. Dans la gamme des basses fréquences observées par LISA, les binaires galactiques seront détectées pendant la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) spiralante, soit plusieurs milliers d'années avant la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) qui sera captée par les détecteurs au sol. Cette phase spiralante permet de caractériser les signatures des effets de la structure et de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) internes des composantes des binaires galactiques sur la forme des ondes gravitationnelles peuvent potentiellement être détectables sur la durée nominale de la mission.

LISA permettra donc de comprendre l'état de la matière (Bien que le concept de phase soit simple, il est difficile de le définir précisément. Une bonne...) au sein des objets compacts composant les systèmes binaires galactiques, leur déformabilité ou encore leur magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces...), au travers de l'évolution séculaire de ces systèmes. Dans une étude tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) juste publiée dans la revue Physical Review D (DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.105.124042), une équipe constituée des membres du SYRTE à l'Observatoire de Paris (L'Observatoire de Paris est né du projet, en 1667, de créer un observatoire astronomique...) et du LDE3 du DAp/Irfu au CEA, a démontré que l'effet du magnétisme au sein d'un système binaire (Le système binaire est un système de numération utilisant la base 2. On nomme...) galactique pourrait être mesuré par LISA.

Le potentiel des binaires galactiques

Les objets compacts composant les binaires galactiques ont une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) de l'ordre d'une masse solaire (En astrophysique, la masse solaire est l'unité de masse conventionnellement utilisée pour les...) pour des rayons allant de 104 km pour les naines blanches, à quelques 10 km pour les étoiles à neutrons. Ce sont également parmi les corps les plus fortement magnétisés de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), avec des champs magnétiques qui peuvent atteindre jusqu'à 109 G pour les naines blanches et jusqu'à 1015 G pour les étoiles à neutrons (on parle alors de magnétars). De tels champs magnétiques peuvent perturber significativement le mouvement orbital du système binaire et permettre leur caractérisation indirecte au travers des propriétés des ondes gravitationnelles qui seront détectées par LISA.

L'origine de ces champs magnétiques intenses est un sujet toujours débattu dans le domaine de l'Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...), notamment en raison du nombre d'observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) électromagnétiques qui est encore insuffisant pour assurer une statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....) robuste. En complétant les observations électromagnétiques par des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) d'ondes gravitationnelles, LISA permettra donc de mieux comprendre l'origine des champs magnétiques intenses ainsi que les mécanismes assurant leur stabilité sur de longues échelles de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...).


Figure 2: représentation d'un système binaire galactique magnétique


Figure 3: effet du magnétisme sur les harmoniques présentes dans le signal gravitationnel h+. Les fréquences en tiret sont déterminées sans prendre en compte l'effet magnétique alors que celles en trait plein le considère. En noir: harmoniques d'ordre 0 en excentricité. En rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...): harmoniques d'ordre 1 en excentricité. En vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde...): harmoniques d'ordre 2 en excentricité. wM représente la dérive séculaire sur la longitude (La longitude est une valeur angulaire, expression du positionnement est-ouest d'un point sur Terre...) du péricentre. Cette dérive est proportionnelle au produit des champs magnétiques dipolaires.

Le magnétisme dans le signal d'ondes gravitationnelles

Afin de quantifier l'effet des champs magnétiques sur l'émission d'ondes gravitationnelles, l'effet séculaire dû aux interactions magnétiques sur le mouvement orbital doit être quantifié. Dans l'approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de...) des champs fossiles, la composante dipolaire est le plus souvent la composante dominante et l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) magnétique est donc dominée par l'effet dipôle-dipôle. Cet effet agit à deux niveaux: premièrement sur l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil...) des moments magnétiques et deuxièmement sur le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) relatif entre les centres de masses.

En résolvant simultanément la dynamique rotationnelle et orbitale des binaires galactiques en considérant ces interactions magnétiques ainsi que les effets de relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale...), la contribution magnétique dans le signal gravitationnel a pu être isolée. L'effet magnétique décale l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) des fréquences présentes dans le signal gravitationnel (cf. figure 3). Ce décalage n'est pas arbitraire et dépend de la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) considérée. Ceci permet notamment d'extraire du signal gravitationnel des contraintes sur le magnétisme en combinant les deux harmoniques dont les amplitudes sont les plus importantes (c.-à-d. 2n et 3n avec n le moyen mouvement).

En observant plusieurs dizaines de milliers de systèmes binaires galactiques, LISA représentera donc l'opportunité de mesurer le magnétisme au sein de nombreux systèmes et permettra ainsi d'en apprendre plus sur la nature du magnétisme au sein des naines blanches et étoiles à neutrons et de leurs progéniteurs.

Références:
A. Bourgoin, C. Le Poncin-Lafitte, S. Mathis, et M.-C. Angonin, Impact of dipolar magnetic fields on the gravitational wave strain by galactic binaries, Phys. Rev. D 105, 124042 (2022).
https://arxiv.org/abs/2201.03226
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