Reflets de la Physique n°59 sep/oct/nov 2018
Reflets de la Physique n°59 sep/oct/nov 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de sep/oct/nov 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 6 Mo

  • Dans ce numéro : des gouttes qui s'éclatent.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Déformation caractéristique 10 -14 10 -18 10 -22 10 -26 10 -10 Bruit de fond stochastique 30 Reflets de la Physique n°59 EPTA IPTA SKA 10 -6 LISA Trous noirs binaires supermassifs Superposition de binaires galactiques Binaires spiralantes à grand rapport de masse Trous noirs binaires massifs Binaires galactiques individuellement détectées 10 -2 DECIGO Fréquence (Hz) 10 2 Supernovae de type 1A Binaires serrées spiralantes GW 150914 aLIGO 10 6 Effondrement de cœurs de supernovae Pulsars KAGRA 7. Spectres des ondes gravitationnelles avec les sources et les détecteurs actuels ou prévus. À haute fréquence, les instruments aLIGO/Virgo ont déjà détecté une poignée de fusions de trous noirs (dont GW150914). À moyenne fréquence, l’instrument eLISA est en cours de définition et construction par l’ESA (Agence spatiale européenne). À très basse fréquence, les réseaux de pulsars (Pulsar Timing Array) mettent des limites de plus en plus contraignantes sur les populations de doubles trous noirs supermassifs. (Source  : www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2017.pdf). Amplitude 10 -12 10 -13 10 -14 10 -9 10 -8 Fréquence [Hz] 10 -7 Fp Fp_ML Fe Bayes_E Bayes_EP Bayes_EP_NoEv 8. Limites obtenues sur l’amplitude des ondes gravitationnelles émises par des sources individuelles grâce aux données des six meilleurs pulsars ultra-stables de l’European PTA. Trois analyses fréquentistes et trois bayésiennes sont tracées ici. (Source  : S. Babak et al., MNRAS 455 (2016) 1665-1679). » > À ce jour, les meilleurs tests de la relativité générale en champ fort sont obtenus sur le pulsar double J0737-3039A, de période de rotation 22 ms, de période orbitale 2 h 27 min et d’excentricité 0,1, avec une vérification à 0,005% près. Ce système, assez similaire au premier pulsar double découvert en 1974, émet aussi des ondes gravitationnelles qui font rapetisser le mouvement orbital et mèneront à la fusion des deux étoiles à neutrons dans quelques centaines de millions d’années. Notons que c’est ce type de fin cataclysmique qui a été observé par les détecteurs d’ondes gravitationnelles des collaborations LIGO et Virgo fin 2017. La mesure précise des masses des étoiles à neutrons par les effets relativistes mentionnés plus haut met aussi des contraintes fortes sur les équations d’état de la matière qui régissent ces densités extraordinaires (1,5 fois la masse du Soleil dans 20 km de diamètre). Avec deux étoiles à neutrons, chacune dotée d’une masse d’environ deux masses solaires, de nombreuses équations d’état sont d’ores et déjà écartées. En 2012, c’est un pulsar rapide situé dans un système triple qui est découvert. Une étoile à neutrons, vue donc en radio comme le pulsar, et une naine blanche tournent en un peu plus d’un jour l’une autour de l’autre. Ce système, dit « interne », est en orbite avec une seconde naine blanche avec une période d’un peu moins d’un an, constituant ce qu’on appelle un système à trois corps, ou triple, hiérarchique. Passées les complications d’analyse, car il n’y a pas de solution analytique, ce système triple sera utilisé pour tester le principe d’équivalence qui est le constat de l’égalité entre masse inertielle et masse gravifique. Quelles que soient leurs masses et leurs compositions, deux corps soumis à un même champ gravitationnel doivent tomber de façon identique. Ici, il suffit donc de regarder comment tombent différemment l’étoile à neutrons et la naine blanche du système « interne » dans le champ gravitationnel de la naine blanche externe ! Les résultats préliminaires de recherche de déformation des orbites, tant à partir des données des radiotélescopes américains que des données de Nançay, permettent d’entrevoir une contrainte sur le principe d’équivalence en champ fort améliorée de plusieurs ordres de grandeur. Les ondes gravitationnelles peuvent être détectées dès maintenant par des instruments
sur Terre, plus tard dans l’espace avec l’instrument eLISA et même avec un réseau de pulsars ultra-stables. En effet, ici les bras de quelques kilomètres de long des interféromètres LIGO et Virgo sont remplacés par les lignes de visée vers les pulsars, soit quelques milliers d’annéeslumière. Avec quelques dizaines de pulsars ultra-stables, on construit ainsi un détecteur qui sera sensible aux ondes gravitationnelles de très grandes longueurs d’onde ou de très longues périodes (de quelques mois à quelques années, soit des fréquences de l’ordre de quelques dizaines de nanohertz), le Pulsar Timing Array (PTA). En étant sensible aux très basses fréquences, le PTA est complémentaire des autres instruments construits ou en projet (fig. 7). Seuls les systèmes doubles de trous noirs supermassifs (dix milliards de fois notre Soleil) sont capables d’émettre de telles ondes gravitationnelles de basse fréquence. À ce jour, des limites supérieures sur l’amplitude des ondes gravitationnelles qui existeraient ont été déterminées grâce à la combinaison des temps d’arrivée mesurés dans tous les grands radiotélescopes européens (European PTA, fig. 8) et mondiaux (International PTA, voir l’encadré cidessous), et commencent à poser des contraintes sur les modèles de formation de ces systèmes. Les instruments utilisés dans le cadre du Pulsar Timing Array Les grands radiotélescopes du monde se sont regroupés pour échanger les données de temps d’arrivée obtenus sur les pulsars ultra-stables et construire un International Pulsar Timing Array (IPTA) plus sensible aux effets subtils des ondes gravitationnelles. Au niveau européen, ce sont les radiotélescopes de Nançay ( 100 m) en France, d’Effelsberg (100 m) en Allemagne, de Jodrell Bank (76 m) en Angleterre, de Westerbork ( 100 m) aux Pays-Bas et de Cagliari (64 m) en Italie-Sardaigne, qui forment l’European PTA (EPTA). En Australie, le télescope de Parkes (64 m) forme à lui tout seul le Parkes PTA (PPTA), tandis que les télescopes de Green-Bank (110 m) et Arecibo (300 m) forment la version nord-américaine, appelée NanoGRAV. Les tout nouveaux radiotélescopes chinois, FAST (500 m), et sud-africain, Meerkat (100 m), sont en train de rejoindre la collaboration mondiale IPTA. Conclusion Avancées de la recherche Il y a une cinquantaine d’années, de véritables « horloges cosmiques » ont été découvertes avec les premiers radiotélescopes. Restes de l’explosion des grosses étoiles, les étoiles à neutrons fortement magnétisées émettent des faisceaux d’ondes radio reçus sur Terre à la manière des phares au bord de la mer. La stabilité hors du commun des impulsions radio reçues permet de nombreuses applications à la physique fondamentale. Conséquence des travaux d’Albert Einstein, les ondes gravitationnelles semblent à portée de détection dans le domaine des très basses fréquences, grâce au suivi d’un réseau de pulsars ultrastables. Complémentaire des détections déjà effectuées dans le domaine des centaines de hertz, il s’agit ici de détecter dans le domaine du nanohertz la trace de doubles trous noirs de milliards de masses solaires situés aux centres des galaxies. ❚ (a) Nous savons maintenant que les quasars («quasi stellar radio sources»), découverts au début des années 1960, sont les régions centrales de grosses galaxies très lointaines, émettant sur une large gamme du spectre électromagnétique. (b) Jocelyn Bell Burnell vient de recevoir le Breakthrough Prize 2019 de physique fondamentale pour sa contribution essentielle à la découverte des pulsars en 1968. Ce prix, fondé en 2012 par plusieurs personnalités dont Mark Zuckerberg (Facebook) et Sergey Brin (fondateur de Google), est doté de trois millions de dollars pour chaque lauréat. 16 e rencontre Physique et Interrogations Fondamentales (PIF) Organisée par la Société Française de Physique et la Bibliothèque nationale de France Samedi 10 novembre 2018, 9 h – 18 h Bibliothèque nationale de France, site François Mitterand Grand auditorium, hall est – Quai François Mauriac, 75013 Paris Entrée libre, sur inscription. Programme et inscriptions  : www.pif16.fr Quels algorithmes pour comprendre la nature ? Les algorithmes, suites d’instructions élémentaires, existent depuis l’Antiquité. Ces « savoir-faire » n’ont cessé depuis de se perfectionner et sont appliqués à de nombreux domaines. C’est aux ordinateurs que l’on doit leur pénétration massive dans les sciences contemporaines. Ces algorithmes informatiques ont évolué vers de nouvelles formes, comme le Deep Learning, et sont passés du statut d’outils développés par les chercheurs au rang d’acteurs de la recherche. S’achemine-t-on vers la disparition du chercheur humain et son remplacement par des robots ? Cette rencontre PIF apportera un éclairage sur cette transformation algorithmique qui concerne autant la science fondamentale que la société, proposera des exemples de ses applications dans plusieurs champs scientifiques et s’interrogera sur les enjeux actuels pour la société. Les rencontres « Physique et interrogations fondamentales » (PIF) sont l’occasion pour des scientifiques et philosophes de formations très différentes, de confronter leurs points de vue sur un thème lié aux grandes questions de la science contemporaine. Elles se situent à un niveau permettant à un public cultivé mais non spécialisé de suivre les exposés. Reflets de la Physique n°59 31



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