Onde gravitationnelle
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Introduction

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.

Caractéristiques

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 diamètre si c'est une...), 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 (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état...) 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 pseudoscalaire, qui est un nombre qui peut dépendre de la base.) (spin 0), soit une symétrie vectorielle (spin 1).

L'existence des ondes gravitationnelles est donc une prédiction de la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un...) 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 cet objet. Par...) 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...) 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 corps à la force de...) qui s'y trouve, le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens En...) 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 de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant macroscopiquement comme un phénomène...) (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,...) 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 crête-à-crête allant de quelques centimètres à 34 m (112 pieds),...).

L'analogie existant en relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels, est une...) entre des charges électriques en mouvement et des masses en mouvement permet de mieux comprendre le phénomène : de la même manière que l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui...) 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 matière.) gravitationnelle n'est émise malgré la forte accélération subie par la matière (c'est le théorème (Un théorème est une proposition qui peut être mathématiquement démontrée, c'est-à-dire une assertion qui peut être établie comme vraie au travers d'un raisonnement logique construit à partir d'axiomes. Un théorème est à distinguer...) de Birkhoff).

La plupart des théories de gravité quantique (La gravité quantique est la branche de la physique théorique tentant d'unifier la mécanique quantique et la relativité générale.) postulent l'existence d'un quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus...) correspondant appelé le graviton (Le graviton est une particule élémentaire hypothétique qui transmettrait la gravité dans la plupart des systèmes de gravité quantique. Il serait donc le...) de façon analogue à l'électrodynamique quantique (L'électrodynamique quantique relativiste est une théorie physique ayant pour but de concilier l'électromagnétisme avec la mécanique quantique en...) 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 électromagnétique (La force électromagnétique est, avec la force de gravitation, l'interaction faible, et l'interaction forte, l'une des quatre forces fondamentales de la physique. Lorsque l'on tient compte de la mécanique quantique la force 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 interagissent, cette interaction se traduit d'un point de vue...). 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 transporte aussi de...) gravitationnelle est considérée comme l'onde associée au graviton, et ses caractéristiques donnent alors de précieuses informations sur la particule.

Détection des ondes gravitationnelles

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 diversité de contribution, et...) 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 domaine avec la rigueur et les méthodes...) 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 d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande...) 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...) binaire PSR B1913+16, découvert en 1974 a permis aux physiciens Russell Hulse et Joseph Hooton Taylor de mettre en évidence l'effet de ces ondes gravitationnelles. Ce pulsar est un système binaire (Le système binaire est un système de numération utilisant la base 2. On nomme couramment bit (de l'anglais binary digit, soit « chiffre binaire ») les chiffres de la numération binaire. Ceux ci ne peuvent prendre que deux...) 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 les 5 genres Erythrotriorchis,...) de leur centre de gravité (Le centre de gravité est le point d'application de la résultante des forces de gravité ou de pesanteur. Il est également le point d'intersection de tous les plans qui divisent le corps en deux parties de poids...) commun. Le comportement de ce système s'écarte notablement des prédictions de la mécanique newtonienne (La mécanique newtonienne est une branche de la physique. Depuis les travaux d'Albert Einstein, elle est souvent qualifiée de mécanique classique.). Par contre, il a été observé que ce système perdait de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), 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 (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...) 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 précise, et qui peut être désigné par une étiquette...) physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) se déformant réellement pendant le passage d'une onde gravitationnelle, bien qu'il y ait eu un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de rapports non confirmés. L'observation confirmée d'ondes gravitationnelles serait une autre preuve 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.

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