Rechercher les ondes gravitationnelles avec le South Pole Telescope

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Une équipe d'astronomes projette d'utiliser le South Pole Telescope pour rechercher des ondes gravitationnelles primordiales, prédites par la théorie de la Relativité générale mais jamais observées à ce jour.

Il s'agit pour les scientifiques de découvrir une des preuves les plus significatives de la théorie de l'Inflation cosmique. Cette théorie soutient qu'à l'époque dite inflationniste, et quelque par dans l'Univers, des fluctuations de densité microscopiques ont marqué le début de son expansion (Big Bang). Une expansion qui a été très violente et lui aurait permis de grossir d'un facteur considérable.

Le South Pole Telescope

Des ondes gravitationnelles ont été générées par cette inflation. Leurs effets ne sont perceptibles que dans des conditions extrêmes de densité et de vitesse. Pour les détecter, les scientifiques sont en train de construire un polarimètre qui sera intégré à ce télescope de 8 m situé au Pôle sud et qui fonctionne dans les longueurs d'ondes submillimétriques, c'est-à-dire entre les micro-ondes et l'infrarouge. Il est donc tout à fait capable de détecter les fluctuations d'intensité du rayonnement fossile du Big Bang (l'écho micro-ondes du Big Bang). D'ailleurs c'est sa fonction principale.

Les découvrir ouvrira le champ de l'astronomie gravitationnelle et permettra d'approfondir notre compréhension de la gravitation et de la Relativité générale. Les mesures de leurs propriétés donneront des informations sur la structure même de l'Univers, nous renseigneront sur sa formation et permettront d'aborder la question de l'existence d'une multitude d'Univers.

Surtout, leur découverte confirmerait la théorie de l'inflation de l'Univers, l'étape initiale de l'expansion accélérée de l'Univers. Selon la théorie de la Relativité générale d'Einstein, l'inflation a produit deux événements significatifs: les fluctuations de la densité des particules subatomiques, qui ont déjà été observés, et ces fameuses ondes gravitationnelles primordiales que Virgo cherche également tout comme un des instruments à bord de Cassini (Radio Science Subsystem).

Le South Pole Telescope sera également utilisé pour tenter de résoudre le mystère de l'énergie sombre, une force 'invisible' mais dont les astronomes mesurent les effets de son influence sur les amas de galaxies par exemple.

Les ondes gravitationnelles

Les ondes gravitationnelles, prédites par la théorie de la relativité générale, sont des déformations de l'espace temps. Quand la matière est accélérée ou change de configuration, elle modifie la courbure de l'espace temps. Ces changements se propagent vers l'extérieur comme des rides à la surface de l'eau : ce sont les ondes gravitationnelles.

Elles sont également produites par des phénomènes astrophysiques violents comme l'explosion de supernovae ou la coalescence de deux corps compacts, tels les trous noirs ou les étoiles à neutrons. Aujourd'hui, seules des preuves indirectes de l'émission d'ondes gravitationnelles ont été observées (récompensées par le prix Nobel de physique en 1993).

Note

Une première preuve indirecte de l'existence des ondes gravitationnelles fut obtenue par Hulse et Taylor, qui firent des mesures de vitesse sur le système binaire d'étoiles à neutrons PSR1913+16. Ils observèrent sur plus de 20 ans la décroissance de la période orbitale et leurs mesures sont en parfait accord avec le calcul de Relativité Générale qui interprète cette motion de spirale comme étant dû à une perte d'énergie gravitationnelle par émission d'ondes gravitationnelles.

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Aldebaran

"D'ailleurs c'est sa fonction principale"

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Maulus

Détecter les ondes gravitationnelles avec les fluctuations du CMB ?
Moi y'en a pas comprendre...

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Ze Venerable

je vois pas trop non plus

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bongo1981

Maulus
Détecter les ondes gravitationnelles avec les fluctuations du CMB ?
Moi y'en a pas comprendre...

C'est aussi une mise en évidence indirecte. Jusqu'à présent nous n'avons pas observé la polarisation du rayonnement fossile.

Mais... si l'inflation existe comme nous le pensons, ce phénomène a laissé une trace (des ondes gravitationnelles) qui a une incidence sur l'isotropie de la polarisation du rayonnement. Détecter ces fluctuations de polarité, permet de mettre en évidence des ondes gravitationnelles, et infirmer certains modèles du Big Bang.

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Maulus

Ah des fluctuations de polarité ! ok ! :D

VI
Victor

Dis bongo de quoi parles tu ? Lorsque tu parles de polarité, de la variation des longueurs d'ondes par rapport aux fond cosmique de l'univers ou un truc optique de polarisation de phase

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buck

phase, vu que la modification de la longueur d'onde on en a deja une idee avec les experience COBE and co

VI
Victor

Je ne suis pas aussi sûr que toi Buck... Je crois plutôt que ça tient de variation de longueurs d'ondes par rapport à l'observation Cobe

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buck

stricto sensus polarisation est liee a la phase pas la longueur d'onde a mon snes.
La variation de longueur d'onde c'est plus le truc que t'aime pas

VI
Victor

C'est le truc où je me castagne avec Bongo à vrai dire j'ai du Mal avec la RG mais là Cobe c'est le fonds cosmique et la polarisation en Effet Doppler je pensais à une variation de cet effet

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Maulus

C'est la polarisation comme pourrait le faire un champ magnétique non ?

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Aldebaran

Victor vs bongo : nouvel épisode, bientot sur vos mobiles en HD :D

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Maulus

on en redemande :D

VI
Victor

Justement non j'attends une explication de bongo et ça risque d'être intéressant

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bongo1981

Victor
Dis bongo de quoi parles tu ? Lorsque tu parles de polarité, de la variation des longueurs d'ondes par rapport aux fond cosmique de l'univers ou un truc optique de polarisation de phase

Je ne parle pas de la forme dipolaire du rayonnement qui a un effet purement cinématique (mouvement de la terre par rapport au rayonnement fossile), mais je parle bien du phénomène de polarisation de la lumière. Ce n'est pas du tout lié à la phase (qui correspond à une différence de chemin optique), mais bien à la direction du champ électrique.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Polarisation_(optique

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Maulus

AH ! je le savais ! :D
mais en quoi le sens du champs électrique nous indique quoi que se soit ?

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bongo1981

Ca t'indique la direction de polarisation d'une onde électromagnétique.

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Maulus

Ah oui, got it, j'avais bon :)

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bongo1981

cette image est plus parlante.
Une onde électromagnétique est une onde transversale, elle vibre dans la direction orthogonale à sa direction de propagation. La direction de son champ électrique détermine sa direction de polarisation.

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Maulus

oh merci beaucoup bongo, parfaitement claire maintenant, c'est vrai qu'après tout, dans un monde en 4D, il y a plusieurs axes de vibration.

Donc pour vraiment comprendre ce graph, c'est E l'onde électromagnétique et B sa polarisation ?

Que représente k est q ?

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buck

q charge (et doit definir le max des amplitudes)
onde electromagnetique est definie par le triplet de vecteurs E, k, B decrivant un repere orthogonal (norme aussi ? )

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bongo1981

On vit dans un espace à 3 dimensions, donc il y a bien 3 directions indépendantes.

J'aurais dû légender un peu.
L'onde électromagnétique c'est l'ensemble E et B (E c'est le vecteur champ électrique, et B le vecteur champ magnétique). Une onde électromagnétique est nécessairement composée des deux. Dans le vide ces deux vecteurs sont orthogonales.

La direction de polarisation est donnée par le vecteur E (mais c'est une convention, tu peux parfaitement construire la même physique en prenant comme convention que c'est le vecteur B).

k est le vecteur d'onde, il a pour direction, la direction de propagation de l'onde, et pour sens, le sens de propagation. Il a pour module, 2pi / lambda, ou lambda est la longueur d'onde.

q est là pour montrer que cette onde électromagnétique est émise par une charge oscillante, ça n'a aucune importance ici, puisque les ondes électromagnétiques sont une solution dans le vide des équations de Maxwell sans source.

Une onde électromagnétique plane progressive est souvent notée mathématiquement de la manière suivante :
exp [i(wt-kx)]

Pour une onde de fréquence f = w/2pi, se propageant dans la direction des x positifs.

AD
adagio

bongo1981
Une onde électromagnétique plane progressive est souvent notée mathématiquement de la manière suivante :
exp [i(wt-kx)]

Ok E(x,t) = exp [i(wt-kx)]

Dans une conférence de la cité des sciences j'ai entendu Alain Aspect dire que pour une onde electromagnetique plane la fonction d'onde Psi etait equivalente a l'equation en physique clasique.
Mais qu'est ce que ca veut dire ? que Psi(x,t) = 1 ??

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Maulus

Super merci bongo, très claire, cependant, j'ai encore quelques questions pour finaliser ma compréhension de la polarisation :
Lorsqu'on dit qu'une onde électromagnétique est polarisée, quel(s) changement se passe-t-il sur la figure ?
L'angle entre E et B varie ? Il y a une rotation autour de l'axe k ?
Comment le champ magnétique influe sur la polarisation ? En modifiant la longueur d'onde ou l'intensité de B ?

Dans ce cadre là comment un polarisateur fait passer ou non tel type de lumière polarisée d'une telle façon ?

Merci d'avance :) :)

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bongo1981

adagio
Ok E(x,t) = exp [i(wt-kx)]

Pour être un peu plus explicite, ça c'est en notation complexe, tu peux très bien dire que A(x,t) est l'amplitude d'une onde électromagnétique, et que pour avoir son intensité, il faut prendre I(x,t) = |A|²
Dans ce cas A(x,t) = cos (wt-kx) (si on ne considère que la partie réelle).

Admettons que tu veuilles suivre un point qui est au maximum du cosinus (en valeur A=1), dans ce cas cela correspond à une phase=0 (ou pi), tu veux donc trouver :
wt-kx = 0
Soit donc : x/t = w/k
En fait tu as une crète qui va se déplacer à la vitesse w/k (puisqu'à l'instant t=0 l'onde sera en x=0 et que x/t = v = constante).

adagio
Dans une conférence de la cité des sciences j'ai entendu Alain Aspect dire que pour une onde electromagnetique plane la fonction d'onde Psi etait equivalente a l'equation en physique clasique.

Pour une onde plane progressive, j'explique les termes :

  • plane ça veut dire que l'onde se déplace par exemple de gauche à droite (son front d'onde est un plan, pas comme les ondes usuelles, qui sont sphériques)
  • progressive, ça veut dire que l'onde se propage.

adagio
Mais qu'est ce que ca veut dire ? que Psi(x,t) = 1 ??

Psi(x,t)=1 veut dire que ta fonction est égale à 1 partout (ça revient à dire qu'il n'y a pas d'onde).

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bongo1981

Maulus
Super merci bongo, très claire, cependant, j'ai encore quelques questions pour finaliser ma compréhension de la polarisation :
Lorsqu'on dit qu'une onde électromagnétique est polarisée, quel(s) changement se passe-t-il sur la figure ?

C'est vrai que j'aurais dû le préciser, la figure que tu vois est une onde plane progressive polarisée.
Dans une lumière normale non polarisée, tu as pleins d'ondes avec un champ E tantôt orienté ici, tantôt orienté là, de telle sorte que lorsque tu additionnes tous les vecteurs champ électrique ça fasse 0.

Maulus
L'angle entre E et B varie ?

Pour une onde électromagnétique, dans le vide, E et B sont toujours orthogonales.

Maulus
Il y a une rotation autour de l'axe k ?

https://fr.wikipedia.org/wiki/Polarisation_(optique)
Cela est vrai pour certains types de polarisation (circulaire ou elliptique)

Maulus
Comment le champ magnétique influe sur la polarisation ? En modifiant la longueur d'onde ou l'intensité de B ?

Je ne pense pas qu'un champ magnétique puisse faire tourner la direction de polarisation de la lumière.
Tu peux influer sur la polarisation de plusieurs façons...
par réflexion (ça change la direction de polarisation)
par transmission (via une solution chirale), ça fait tourner la direction, soit à gauche soit à droite (lévogyre, dextogyre), attention, je ne parle pas de virage de la lumière, mais bien de rotation de la direction de polarisation.
par filtre, par exemple les verres polarisés ne laissent passer la lumière que dans la direction de polarisation (enfin c'est pas tout à fait vrai, en fait c'est filtré en cos theta, où theta est l'angle entre la direction de polarisation de la lumière incidente, et la direction de polarisation du filtre).

Maulus
Dans ce cadre là comment un polarisateur fait passer ou non tel type de lumière polarisée d'une telle façon ?

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Maulus

Parfait avec les petites animations gif de la page wikipédia, j'ai tout pigé merci bien bongo, surtout reste avec nous, partage tes connaissances :D

VI
Victor

Pour te répondre...
Statistiquement une lumière non cohérente classique est telle que le vecteur E se répartit statistiquement dans un cercle perpendiculaire au vecteur de propagation k....
On dit que l'on n'est pas dans une onde polarisée...

Si on la fait traversé un polariseur, un système optique qui polarise...

La figure de propagation perpendiculairement à k n'est plus un cercle statistique mais une ellipse dont l'axe de polarisation est le grand axe de l'ellipse...
Pour savoir si une onde est polarisée, on utilise un analyseur que l'on met de telle manière que l'onde polarisées soit éteinte ou minimum...

Dans ce cas là le polariseur et l'analyseur sont perpendiculaires...

Je parle de sources de lumière classique parce que les lasers sont par définition polarisés

Edit.... Un peu de ponctuation Pour Maulus et Bongo

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bongo1981

Maulus
Parfait avec les petites animations gif de la page wikipédia, j'ai tout pigé merci bien bongo, surtout reste avec nous, partage tes connaissances :D

oui oui :o quand j'ai le temps je passe sur le forum

Victor> je trouve que ton explication embrouille plus qu'elle n'explique

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Maulus

ouais... Victor balance toujours ces idées comme il les pensent donc pas de retour à la ligne ni de ponctuation...