Première prédiction des propriétés du fond stochastique d'ondes gravitationnelles d'origine astrophysique
Publié par Adrien le 18/06/2018 à 00:00
Source: CNRS-INSU
La détection des ondes gravitationnelles par les interféromètres LIGO et Virgo a ouvert une nouvelle fenêtre observationnelle en astrophysique. Une équipe de chercheurs de l'Institut d'Astrophysique de Paris (CNRS/Sorbonne Université), de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) d'Oxford et de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute...) Max-Planck pour la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général...) gravitationnelle a établi les propriétés des anisotropies du fond stochastique d'ondes gravitationnelles généré par toutes les sources astrophysiques non résolues. Elle présente dans la revue Physical Review Letters, la première prédiction du spectre angulaire de cette nouvelle observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire obtenir la valeur ou un intervalle de valeurs d'un...) astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de l'univers...). Ce travail ouvre un nouveau champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) d'étude au croisement de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux...), de l'astrophysique et de la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.).


Spectre de puissance angulaire des fluctuations du fond stochastique d'ondes gravitationnelles. Crédits: C. Pitrou, JP. Uzan

La détection directe des ondes gravitationnelles par LIGO (LIGO (pour Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un projet d'interféromètre américain, destiné à détecter les ondes...) et Virgo ouvre une nouvelle voie observationnelle en astrophysique. L'étude des quelques systèmes binaires de trous noirs et d'étoiles à neutrons observés lors de leur coalescence apporte déjà de nombreuses informations sur ces systèmes.

Chaque galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par...) possède de nombreuses sources d'ondes gravitationnelles: systèmes binaires de trous noirs et d'étoiles à neutrons, trous noirs supermassifs, supernovae etc. La grande majorité de ces systèmes ont une puissance trop faible pour être individuellement détectée. Ces sources non?résolues contribuent collectivement à la production d'un fond stochastique d'ondes gravitationnelles, similaire au fond diffus infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.) produit par toutes les sources optiques non?résolues.

Les propriétés de ce fond stochastique dépendent autant de la cosmologie (qui décrit l'évolution des grandes structures de l'univers) de l'histoire de formation des galaxies et de l'astrophysique. En effet, le taux cosmique de formation d'étoiles et le scénario d'évolution stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties à...) déterminent le taux de formation de trous noirs et d'étoiles à neutrons ainsi que l'abondance et l'évolution des systèmes binaires, cela en fonction du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). En développant un modèle semi?analytique, les chercheurs ont pu modéliser les différentes populations sources d'ondes gravitationnelles. Pour chacune d'entre elles, la relativité générale permet de décrire le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) gravitationnel. Ainsi, ils ont pu calculer la luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) en 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...) des galaxies en fonction des caractéristiques de ces dernières (masse, fraction d'éléments chimiques complexes, âge). La cosmologie leur a ensuite permis de décrire la distribution des galaxies. Celle-­?ci dépend à la fois des conditions initiales sur les inhomogénéités de la distribution de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace...) générée dans l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) primordial pendant la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) d'inflation et de leur évolution. En couplant leur modèle astrophysique à un modèle cosmologique, les chercheurs ont prédit les propriétés statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi que la présentation de ces...) de ce fond d'ondes gravitationnelles, et en premier lieu son spectre de puissance angulaire dans différentes bandes de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de...). Ils prédisent qu'à la fréquence de 100 Hz, les fluctuations du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux...) sont de l'ordre de 30% par rapport à sa valeur moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient...). Ils ont aussi établi une expression analytique de ce spectre aux grandes échelles angulaires. Ces informations sont capitales pour pouvoir détecter ce signal. Ce travail est l'aboutissement d'un programme de 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 métonymique, la recherche scientifique désigne également...) développé à l'Institut d'Astrophysique de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine,...) où toute l'équipe travaillait jusqu'à la fin 2017.

Cette approche nécessite de coupler relativité générale, évolution stellaire, évolution des galaxies et cosmologie. Le signal prédit dépend de nombreux paramètres astrophysiques encore mal connus (distribution des systèmes binaires, fraction de trous noirs dans des systèmes binaires, évolution des galaxies, etc.). Cette étude laisse ainsi entrevoir une possibilité pour mesurer des paramètres inaccessibles autrement. Ce résultat ouvre de nombreuses perspectives en astrophysique, en particulier pour contraindre le taux de formation de systèmes binaires et de leur coalescence ou la répartition spatiale des trous noirs.

Les chercheurs ont aussi démontré que ce signal d'ondes gravitationnelles était corrélé à d'autres observables cosmologiques comme la distribution des galaxies et le effets de lentilles gravitationnelles faibles. Ces corrélations permettent de comparer entre elles la distribution de la matière visible (galaxies), de la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au sujet...) (effets de lentilles gravitationnelles) et des trous noirs offrant une information inaccessible en astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs...) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.).

L'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les liquides...) moyenne du fond astrophysique stochastique d'ondes gravitationnelles a été contrainte par l'expérience LIGO et les expériences de chronométrage de 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...), qui étudient aujourd'hui la possibilité de détecter les anisotropies aux grandes échelles angulaires. Le résultat publié est la première prédiction théorique sur laquelle peuvent s'appuyer ces développements.
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