La surface libre d'un liquide en équilibre dans un champ gravitationnel est plate. Si sous l'influence d'un influence externe la surface du liquide à un endroit en est retirée position d'équilibre, alors un mouvement se produit dans le liquide. Ce mouvement va se propager sur toute la surface du liquide sous forme d’ondes, appelées ondes gravitationnelles, puisqu’elles sont provoquées par l’action du champ gravitationnel. Les ondes gravitationnelles se produisent principalement à la surface du liquide, capturant d'autant moins ses couches internes que ces couches sont situées plus profondément.
Nous considérerons ici les ondes gravitationnelles dans lesquelles la vitesse des particules de fluide en mouvement est si petite que le terme de l’équation d’Euler peut être négligé en comparaison avec Il est facile de découvrir ce que signifie physiquement cette condition. Pendant une période de temps de l'ordre de la période d'oscillations effectuées par les particules liquides dans une onde, ces particules parcourent une distance de l'ordre de l'amplitude a de l'onde, donc la vitesse de leur mouvement est de l'ordre de la vitesse. v change sensiblement sur des intervalles de temps de l'ordre de grandeur et sur des distances de l'ordre de grandeur le long de la direction de propagation de l'onde (- longueur d'onde). Par conséquent, la dérivée de la vitesse par rapport au temps est de l’ordre de grandeur et par rapport aux coordonnées est de l’ordre de Ainsi, la condition est équivalente à l’exigence
c'est-à-dire que l'amplitude des oscillations de l'onde doit être petite par rapport à la longueur d'onde. Au § 9 nous avons vu que si le terme de l'équation du mouvement peut être négligé, alors le mouvement du fluide est potentiel. En supposant que le fluide soit incompressible, on peut donc utiliser les équations (10.6) et (10.7). Dans l'équation (10.7) on peut désormais négliger le terme contenant le carré de la vitesse ; en mettant et en introduisant un terme dans le champ de gravité, nous obtenons :
(12,2)
Nous choisissons l'axe, comme d'habitude, verticalement vers le haut, et choisissons le plan d'équilibre comme plan x, y surface plane liquides.
On notera - la coordonnée des points à la surface du liquide par ; est fonction des coordonnées x, y et du temps t. À l'équilibre, il y a un déplacement vertical de la surface du liquide lorsqu'elle oscille.
Laissez une pression constante agir sur la surface du liquide Alors, d’après (12.2), nous avons sur la surface.
La constante peut être éliminée en redéfinissant le potentiel (en y ajoutant une quantité indépendante des coordonnées. L'état à la surface du liquide prend alors la forme
La faible amplitude des oscillations de l’onde signifie que le déplacement est faible. On peut donc supposer, avec la même approximation, que la composante verticale de la vitesse de déplacement des points de surface coïncide avec la dérivée temporelle du déplacement. Mais on a donc :
En raison de la petitesse des oscillations, il est possible dans cette condition de prendre les valeurs des dérivées à la place. Ainsi, nous obtenons finalement le système d'équations suivant qui détermine le mouvement dans une onde gravitationnelle :
Nous considérerons des ondes à la surface d’un liquide, en considérant cette surface comme illimitée. Nous supposerons également que la longueur d'onde est petite par rapport à la profondeur du liquide ; le liquide peut alors être considéré comme infiniment profond. Par conséquent, nous n’écrivons pas de conditions aux limites aux frontières latérales et au fond du liquide.
Considérons une onde gravitationnelle se propageant le long de l'axe et uniforme le long de l'axe ; dans une telle onde, toutes les quantités ne dépendent pas de la coordonnée y ; Nous chercherons une solution qui est une simple fonction périodique du temps et de la coordonnée x :
où ( est la fréquence cyclique (nous en parlerons simplement comme une fréquence), k est le vecteur d'onde de l'onde, est la longueur d'onde. En substituant cette expression dans l'équation, on obtient l'équation de la fonction
Sa solution, se désintégrant dans la profondeur du liquide (c'est-à-dire à ) :
Il nous reste encore à satisfaire condition aux limites(12.5), en y substituant (12.5), nous trouvons le lien entre la fréquence b et le vecteur d'onde (ou, comme on dit, la loi de dispersion des ondes) :
La répartition des vitesses dans un liquide s'obtient en différenciant le potentiel selon les coordonnées :
On voit que la vitesse diminue de façon exponentielle vers la profondeur du liquide. Dans chacun point donné dans l'espace (c'est-à-dire pour x, z donné), le vecteur vitesse tourne uniformément dans le plan x, restant constant en amplitude.
Déterminons également la trajectoire des particules liquides dans la vague. Notons temporairement par x, z les coordonnées d'une particule fluide en mouvement (et non les coordonnées point fixe dans l'espace), et à travers - les valeurs de x pour la position d'équilibre de la particule. Alors et sur le côté droit de (12.8) peut s'écrire approximativement à la place de , profitant de la petitesse des oscillations. L'intégration dans le temps donne alors :
Ainsi, les particules liquides décrivent des cercles autour de points dont le rayon diminue de façon exponentielle vers la profondeur du liquide.
La vitesse U de propagation des ondes est égale, comme cela sera montré au § 67. En substituant ici, nous trouvons que la vitesse de propagation des ondes gravitationnelles sur une surface illimitée d'un liquide infiniment profond est égale à
Il augmente avec l'augmentation de la longueur d'onde.
Ondes gravitationnelles longues
Après avoir considéré les ondes gravitationnelles, dont la longueur est petite par rapport à la profondeur du liquide, attardons-nous maintenant sur le cas limite inverse des ondes, dont la longueur est grande par rapport à la profondeur du liquide.
De telles vagues sont appelées longues.
Considérons d'abord la propagation des ondes longues dans le canal. Nous considérerons que la longueur du canal (dirigée le long de l'axe x) est illimitée. La section transversale du canal peut avoir une forme arbitraire et varier sur sa longueur. La section transversale du liquide dans le canal est désignée par La profondeur et la largeur du canal sont supposées petites par rapport à la longueur d'onde.
Nous considérerons ici longitudinal longues vagues, dans lequel le liquide se déplace le long du canal. Dans de telles ondes, la composante de vitesse le long de la longueur du canal est grande par rapport aux composantes
En désignant simplement v et en omettant les petits termes, nous pouvons écrire la composante - de l'équation d'Euler sous la forme
un composant - sous la forme
(nous omettons les termes quadratiques en vitesse, puisque l'amplitude de l'onde est encore considérée comme petite). De la deuxième équation nous avons, en notant que sur surface libre) devrait être
En substituant cette expression dans la première équation, on obtient :
La deuxième équation permettant de déterminer deux inconnues peut être dérivée en utilisant une méthode similaire à celle de l'équation de continuité. Cette équation est essentiellement une équation de continuité appliquée au cas considéré. Considérons le volume de liquide enfermé entre deux plans de section transversale du canal situés à distance l'un de l'autre. Dans une unité de temps, un volume de liquide égal à entrera par un plan et un volume sortira par l'autre plan. Par conséquent, le volume de liquide entre les deux plans changera de.
Agitez votre main et les ondes gravitationnelles se propageront dans tout l’Univers.
S. Popov, M. Prokhorov. Ondes fantômes de l'univers
Un événement attendu depuis des décennies s'est produit en astrophysique. Après un demi-siècle de recherches, les ondes gravitationnelles, les vibrations de l'espace-temps lui-même, prédites par Einstein il y a cent ans, ont enfin été découvertes. Le 14 septembre 2015, l'observatoire LIGO mis à jour a détecté un sursaut d'onde gravitationnelle généré par la fusion de deux trous noirs de masses 29 et 36. masses solaires dans une galaxie lointaine située à environ 1,3 milliard d'années-lumière. L'astronomie des ondes gravitationnelles est devenue une branche à part entière de la physique ; cela nous a ouvert une nouvelle façon d’observer l’Univers et nous permettra d’étudier les effets auparavant inaccessibles de la forte gravité.
Ondes gravitationnelles
Vous pouvez proposer différentes théories de la gravité. Tous décrivent également bien notre monde, à condition que nous nous limitions à une seule manifestation de celui-ci : la loi de la gravitation universelle de Newton. Mais il y en a d'autres, plus subtils effets gravitationnels, qui ont été testés expérimentalement à l'échelle du système solaire, et ils pointent vers une théorie particulière : la relativité générale (GR).
La relativité générale n’est pas seulement un ensemble de formules, c’est une vision fondamentale de l’essence de la gravité. Si, en physique ordinaire, l'espace ne sert que de fond, un conteneur pour phénomènes physiques, alors dans le GTR, cela devient lui-même un phénomène, une quantité dynamique qui change conformément aux lois du GTR. Ce sont ces distorsions de l’espace-temps par rapport à un fond lisse – ou, dans le langage de la géométrie, les distorsions de la métrique de l’espace-temps – qui sont ressenties comme gravité. Bref, la relativité générale révèle l'origine géométrique de la gravité.
La Relativité Générale a une prédiction cruciale : les ondes gravitationnelles. Il s'agit de distorsions de l'espace-temps capables de « se détacher de la source » et, de s'auto-entretenir, de s'envoler. C'est la gravité en soi, celle de personne, la sienne. Albert Einstein a finalement formulé la relativité générale en 1915 et s'est rendu compte presque immédiatement que les équations qu'il avait dérivées permettaient l'existence de telles ondes.
Comme pour toute théorie honnête, une prédiction aussi claire de la relativité générale doit être vérifiée expérimentalement. Tout corps en mouvement peut émettre des ondes gravitationnelles : des planètes, une pierre lancée vers le haut ou un geste de la main. Le problème, cependant, est que l’interaction gravitationnelle est si faible qu’aucun dispositif expérimental ne peut détecter l’émission d’ondes gravitationnelles provenant d’« émetteurs » ordinaires.
Pour « chasser » une onde puissante, vous devez déformer considérablement l’espace-temps. L'option idéale est celle de deux trous noirs tournant l'un autour de l'autre dans une danse rapprochée, à une distance de l'ordre de leur rayon gravitationnel (Fig. 2). Les distorsions de la métrique seront si fortes qu'une partie notable de l'énergie de cette paire sera émise sous forme d'ondes gravitationnelles. En perdant de l'énergie, le couple se rapprochera, tournera de plus en plus vite, déformera de plus en plus la métrique et générera des ondes gravitationnelles encore plus fortes - jusqu'à ce que, finalement, une restructuration radicale de tout se produise. champ gravitationnel Cette paire et deux trous noirs ne fusionneront pas en un seul.
Une telle fusion de trous noirs est une explosion d'une puissance énorme, mais seule toute cette énergie émise ne va pas en lumière, ni en particules, mais en vibrations de l'espace. L’énergie émise constituera une partie notable de la masse initiale des trous noirs, et ce rayonnement éclatera en une fraction de seconde. Des oscillations similaires seront générées par les fusions d’étoiles à neutrons. Une libération d’énergie des ondes gravitationnelles légèrement plus faible accompagne également d’autres processus, tels que l’effondrement du noyau d’une supernova.
L’onde gravitationnelle issue de la fusion de deux objets compacts a un profil très spécifique et bien calculé, illustré sur la figure 1. 3. La période d'oscillation est définie mouvement orbital deux objets l'un autour de l'autre. Les ondes gravitationnelles emportent de l'énergie ; en conséquence, les objets se rapprochent et tournent plus vite - et cela se voit à la fois dans l'accélération des oscillations et dans l'augmentation de l'amplitude. À un moment donné, une fusion se produit, la dernière onde forte est émise, puis un « after-ring » à haute fréquence suit ( sonnerie) - le tremblement du trou noir résultant, qui « rejette » toutes les distorsions non sphériques (cette étape n'est pas représentée sur l'image). Connaître ce profil caractéristique aide les physiciens à rechercher le signal faible provenant d'une telle fusion dans les données de détecteurs très bruitées.
Les fluctuations de la métrique espace-temps - l'écho des ondes gravitationnelles d'une explosion grandiose - se disperseront dans tout l'Univers dans toutes les directions depuis la source. Leur amplitude s'affaiblit avec la distance, de la même manière que la luminosité d'une source ponctuelle diminue avec la distance. Lorsqu’un sursaut provenant d’une galaxie lointaine atteint la Terre, les fluctuations métriques seront de l’ordre de 10 −22, voire moins. En d’autres termes, la distance entre des objets physiquement sans rapport les uns avec les autres augmentera et diminuera périodiquement d’une telle quantité relative.
L'ordre de grandeur de ce nombre est facile à obtenir à partir de considérations d'échelle (voir l'article de V. M. Lipunov). Au moment de la fusion d'étoiles à neutrons ou de trous noirs de masses stellaires, les distorsions de la métrique juste à côté d'eux sont très importantes - de l'ordre de 0,1, c'est pourquoi la gravité est forte. Une distorsion aussi sévère affecte une zone de l’ordre de la taille de ces objets, soit plusieurs kilomètres. À mesure que l'on s'éloigne de la source, l'amplitude de l'oscillation diminue de façon inversement proportionnelle à la distance. Cela signifie qu'à une distance de 100 Mpc = 3,10 21 km, l'amplitude des oscillations diminuera de 21 ordres de grandeur et deviendra environ 10 −22.
Bien entendu, si la fusion se produit dans notre galaxie d’origine, les secousses de l’espace-temps qui atteignent la Terre seront bien plus fortes. Mais de tels événements se produisent une fois tous les quelques milliers d’années. Par conséquent, vous ne devriez vraiment compter que sur un détecteur capable de détecter la fusion d'étoiles à neutrons ou de trous noirs à une distance de dizaines à centaines de mégaparsecs, ce qui signifie qu'il couvrira plusieurs milliers et millions de galaxies.
Il faut ajouter ici qu'une indication indirecte de l'existence d'ondes gravitationnelles a déjà été découverte, et elle a même reçu le prix Nobel de physique en 1993. Les observations à long terme du pulsar dans le système binaire PSR B1913+16 ont montré que la période orbitale diminue exactement au même rythme que celui prédit par la relativité générale, en tenant compte des pertes d'énergie dues au rayonnement gravitationnel. Pour cette raison, presque aucun scientifique ne doute de la réalité des ondes gravitationnelles ; la seule question est de savoir comment les attraper.
Historique de recherche
La recherche des ondes gravitationnelles a commencé il y a environ un demi-siècle et s'est presque immédiatement transformée en sensation. Joseph Weber de l'Université du Maryland a conçu le premier détecteur résonant : un cylindre solide en aluminium de deux mètres avec des capteurs piézoélectriques sensibles sur les côtés et une bonne isolation des vibrations parasites (Fig. 4). Lorsqu'une onde gravitationnelle passe, le cylindre résonne au rythme des distorsions de l'espace-temps, ce que les capteurs doivent enregistrer. Weber a construit plusieurs de ces détecteurs et, en 1969, après avoir analysé leurs lectures au cours d'une des sessions, il a directement rapporté qu'il avait enregistré le « son des ondes gravitationnelles » dans plusieurs détecteurs à la fois, espacés de deux kilomètres (J. Weber, 1969). Preuve de la découverte du rayonnement gravitationnel). L'amplitude des oscillations qu'il a déclarée s'est avérée incroyablement grande, de l'ordre de 10 −16, soit un million de fois supérieure à la valeur attendue typique. Le message de Weber a été accueilli avec un grand scepticisme par la communauté scientifique ; De plus, d'autres groupes expérimentaux, armés de détecteurs similaires, n'ont pas pu capter par la suite un seul signal similaire.
Cependant, les efforts de Weber ont donné une impulsion à tout ce domaine de recherche et ont lancé la chasse aux vagues. Depuis les années 1970, grâce aux efforts de Vladimir Braginsky et de ses collègues de l’Université d’État de Moscou, l’URSS est également entrée dans cette course (voir l’absence de signaux d’ondes gravitationnelles). Il y a une histoire intéressante sur cette époque dans l'essai Si une fille tombe dans un trou... . Braginsky, d'ailleurs, est l'un des classiques de toute la théorie des mesures d'optique quantique ; il a été le premier à proposer le concept d'une limite de mesure quantique standard - une limitation clé des mesures optiques - et a montré comment ces limites pouvaient en principe être surmontées. Le circuit résonant de Weber a été amélioré, et grâce au refroidissement en profondeur de l'installation, le bruit a été considérablement réduit (voir la liste et l'historique de ces projets). Cependant, la précision de ces détecteurs entièrement métalliques était encore insuffisante pour détecter de manière fiable les événements attendus, et de plus, ils étaient réglés pour résonner uniquement sur une plage de fréquences très étroite autour du kilohertz.
Les détecteurs utilisant plus d’un objet résonant, mais détectant la distance entre deux corps indépendants et suspendus indépendamment, tels que deux miroirs, semblaient beaucoup plus prometteurs. En raison de la vibration de l’espace provoquée par l’onde gravitationnelle, la distance entre les miroirs sera soit un peu plus grande, soit un peu plus petite. De plus, plus le bras est long, plus le déplacement absolu sera provoqué par une onde gravitationnelle d’une amplitude donnée. Ces vibrations peuvent être ressenties par un faisceau laser passant entre les miroirs. Un tel système est capable de détecter des oscillations dans une large gamme de fréquences, de 10 hertz à 10 kilohertz, et c'est précisément la plage dans laquelle la fusion de paires d'étoiles à neutrons ou de trous noirs de masse stellaire émettra.
La mise en œuvre moderne de cette idée basée sur l'interféromètre de Michelson ressemble à ceci (Fig. 5). Les miroirs sont suspendus dans deux chambres à vide longues de plusieurs kilomètres, perpendiculaires les unes aux autres. A l'entrée de l'installation, le faisceau laser se divise, traverse les deux chambres, est réfléchi par les miroirs, revient et est réuni dans un miroir translucide. Le facteur de qualité du système optique est extrêmement élevé, de sorte que le faisceau laser ne se contente pas d'aller et venir une seule fois, mais reste longtemps dans ce résonateur optique. A l'état « calme », les longueurs sont choisies pour que les deux faisceaux, après s'être réunis, s'annulent en direction du capteur, et le photodétecteur se retrouve alors dans l'ombre totale. Mais dès que les miroirs se déplacent sur une distance microscopique sous l'influence des ondes gravitationnelles, la compensation des deux faisceaux devient incomplète et le photodétecteur capte la lumière. Et plus le déplacement est fort, plus lumière vive verra le capteur photo.
Les mots « déplacement microscopique » sont loin d’exprimer la subtilité de l’effet. Le déplacement des miroirs selon la longueur d'onde de la lumière, c'est-à-dire les microns, est facile à remarquer même sans aucune astuce. Mais avec une longueur de bras de 4 km, cela correspond à des oscillations de l'espace-temps d'une amplitude de 10 −10. Remarquer le déplacement des miroirs en fonction du diamètre d'un atome n'est pas non plus un problème - il suffit de tirer un faisceau laser qui fera des allers-retours des milliers de fois et obtiendra le déphasage souhaité. Mais cela donne aussi un maximum de 10 −14. Et nous devons descendre encore des millions de fois sur l'échelle de déplacement, c'est-à-dire apprendre à enregistrer un décalage de miroir même pas d'un atome, mais de millièmes. noyau atomique!
Sur le chemin de cette technologie vraiment étonnante, les physiciens ont dû surmonter de nombreuses difficultés. Certains d'entre eux sont purement mécaniques : il faut accrocher des rétroviseurs massifs à une suspension, qui s'accroche à une autre suspension, celui-là à une troisième suspension, et ainsi de suite - et tout cela afin d'éliminer au maximum les vibrations parasites. D'autres problèmes sont également instrumentaux, mais optiques. Par exemple, plus le faisceau circulant dans le système optique est puissant, plus le déplacement des miroirs peut être détecté par le photocapteur. Mais un faisceau trop puissant chauffera inégalement les éléments optiques, ce qui aura un effet néfaste sur les propriétés du faisceau lui-même. Cet effet doit être compensé d'une manière ou d'une autre, et pour cela, dans les années 2000, tout un programme de recherche a été lancé sur ce sujet (pour un récit de ces recherches, voir la nouvelle Obstacle surmonté sur le chemin d'un détecteur d'ondes gravitationnelles hautement sensible, « Éléments », 27/06/2006 ). Enfin, il existe des limitations physiques purement fondamentales liées au comportement quantique des photons dans une cavité et au principe d'incertitude. Ils limitent la sensibilité du capteur à une valeur appelée limite quantique standard. Cependant, les physiciens, utilisant un état quantique de lumière laser intelligemment préparé, ont déjà appris à le surmonter (J. Aasi et al., 2013. Sensibilité améliorée du détecteur d'ondes gravitationnelles LIGO en utilisant des états de lumière comprimés).
Participe à la course aux ondes gravitationnelles liste entière pays ; La Russie possède sa propre installation, à l'Observatoire de Baksan, et elle est d'ailleurs décrite dans le film documentaire de vulgarisation scientifique de Dmitry Zavilgelsky. "En attendant les vagues et les particules". Les leaders de cette course sont désormais deux laboratoires : le projet américain LIGO et le détecteur italien Virgo. LIGO comprend deux détecteurs identiques, situés à Hanford (État de Washington) et à Livingston (Louisiane) et séparés de 3000 km l'un de l'autre. Avoir deux paramètres est important pour deux raisons. Premièrement, le signal sera considéré comme enregistré uniquement s'il est vu par les deux détecteurs en même temps. Et deuxièmement, par la différence d'arrivée d'une onde gravitationnelle sur deux installations - et elle peut atteindre 10 millisecondes - on peut déterminer approximativement de quelle partie du ciel provient ce signal. Certes, avec deux détecteurs, l'erreur sera très importante, mais lorsque Virgo entrera en service, la précision augmentera sensiblement.
À proprement parler, l'idée de la détection interférométrique des ondes gravitationnelles a été proposée pour la première fois par les physiciens soviétiques M.E. Herzenstein et V.I. Pustovoit en 1962. A cette époque, le laser venait d'être inventé et Weber commençait à créer ses détecteurs résonants. Cependant, cet article n’a pas été remarqué en Occident et, à vrai dire, n’a pas affecté le développement de vrais projets(voir revue historique de Physique de la détection des ondes gravitationnelles : détecteurs résonants et interférométriques).
La création de l'observatoire gravitationnel LIGO est l'initiative de trois scientifiques du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et du California Institute of Technology (Caltech). Il s'agit de Rainer Weiss, qui a réalisé l'idée d'un détecteur interférométrique d'ondes gravitationnelles, de Ronald Drever, qui a atteint une stabilité de la lumière laser suffisante pour la détection, et de Kip Thorne, le théoricien à l'origine du projet, désormais bien connu du grand public. en tant que consultant scientifique pour le film "Interstellar". Vous pouvez en savoir plus sur les débuts de LIGO dans une récente interview avec Rainer Weiss et dans les mémoires de John Preskill.
Les activités liées au projet de détection interférométrique des ondes gravitationnelles ont commencé à la fin des années 1970 et, au début, de nombreuses personnes doutaient également de la faisabilité de cette entreprise. Cependant, après la démonstration d'un certain nombre de prototypes, la conception actuelle du LIGO a été écrite et approuvée. Il a été construit au cours de la dernière décennie du XXe siècle.
Bien que l’impulsion initiale du projet soit venue des États-Unis, LIGO est un projet véritablement international. 15 pays y ont investi, financièrement et intellectuellement, et plus d'un millier de personnes sont membres de la collaboration. Un rôle important dans la mise en œuvre du projet a été joué par les Soviétiques et physiciens russes. Dès le début, le groupe déjà mentionné de Vladimir Braginsky de l'Université d'État de Moscou a pris une part active à la mise en œuvre du projet LIGO, et plus tard l'Institut de physique appliquée de Nijni Novgorod a également rejoint la collaboration.
L'observatoire LIGO a commencé à fonctionner en 2002 et a accueilli jusqu'en 2010 six sessions d'observation scientifique. Aucune sursaut d’onde gravitationnelle n’a été détectée de manière fiable et les physiciens n’ont pu fixer que des limites supérieures à la fréquence de tels événements. Cela ne les a cependant pas trop surpris : les estimations ont montré que dans la partie de l'Univers que le détecteur « écoutait » alors, la probabilité d'un cataclysme suffisamment puissant était faible : environ une fois toutes les quelques décennies.
Ligne d'arrivée
De 2010 à 2015, les collaborations LIGO et Virgo ont radicalement modernisé les équipements (Virgo est cependant encore en cours de préparation). Et maintenant, la cible tant attendue était en vue. LIGO - ou plutôt, aLIGO ( LIGO avancé) - était maintenant prêt à capter les rafales générées par étoiles à neutrons, à une distance de 60 mégaparsecs, et des trous noirs - à des centaines de mégaparsecs. Le volume de l’Univers ouvert à l’écoute des ondes gravitationnelles a décuplé par rapport aux sessions précédentes.
Bien entendu, il est impossible de prédire quand et où se produira le prochain boom des ondes gravitationnelles. Mais la sensibilité des détecteurs mis à jour permettait de compter sur plusieurs fusions d'étoiles à neutrons par an, de sorte que la première sursaute pouvait être attendue dès la première session d'observation de quatre mois. Si nous parlons de l'ensemble du projet aLIGO, qui a duré plusieurs années, le verdict était alors extrêmement clair : soit les sursauts tomberont les uns après les autres, soit quelque chose dans la relativité générale ne fonctionnera pas fondamentalement. Les deux seront de grandes découvertes.
Du 18 septembre 2015 au 12 janvier 2016 a eu lieu la première séance d'observation aLIGO. Pendant tout ce temps, des rumeurs sur l'enregistrement d'ondes gravitationnelles circulaient sur Internet, mais la collaboration restait silencieuse : « nous collectons et analysons des données et ne sommes pas encore prêts à communiquer les résultats ». Une intrigue supplémentaire a été créée par le fait que pendant le processus d'analyse, les membres de la collaboration eux-mêmes ne peuvent pas être complètement sûrs qu'ils voient une véritable explosion d'onde gravitationnelle. Le fait est que dans LIGO, une rafale générée par ordinateur est parfois artificiellement introduite dans le flux de données réelles. C’est ce qu’on appelle une « injection aveugle », et sur l’ensemble du groupe, seules trois personnes (!) ont accès au système qui l’effectue à un moment arbitraire. L'équipe doit suivre cette poussée, l'analyser de manière responsable, et seulement au maximum dernières étapes analyse « les cartes sont dévoilées » et les membres de la collaboration découvriront si c’était événement réel ou un test de vigilance. D'ailleurs, dans un de ces cas en 2010, il a même fallu écrire un article, mais le signal découvert s'est alors avéré n'être qu'un « bourrage aveugle ».
Digression lyrique
Pour ressentir à nouveau la solennité du moment, je propose de regarder cette histoire de l'autre côté, de l'intérieur de la science. Quand c'est difficile, inaccessible problème scientifique ne cède pas avant plusieurs années - c'est un moment de travail normal. Lorsqu’elle ne cède pas pendant plus d’une génération, elle est perçue tout autrement.
En tant qu'écolier, vous lisez des livres de vulgarisation scientifique et découvrez cette énigme scientifique difficile à résoudre, mais terriblement intéressante. En tant qu'étudiant, vous étudiez la physique, vous faites des rapports et parfois, de manière appropriée ou non, les gens autour de vous vous rappellent son existence. Ensuite, vous faites vous-même de la science, travaillez dans un autre domaine de la physique, mais entendez régulièrement parler de tentatives infructueuses pour le résoudre. Vous comprenez bien sûr que quelque part des efforts actifs sont déployés pour le résoudre, mais le résultat final pour vous en tant qu'étranger reste inchangé. Le problème est perçu comme un fond statique, comme un décor, comme un élément éternel et quasiment inchangé de la physique à l’échelle de votre vie scientifique. Comme une tâche qui a toujours été et sera.
Et puis, ils le résolvent. Et soudain, à l'échelle de plusieurs jours, on sent que l'image physique du monde a changé et qu'il faut désormais la formuler en d'autres termes et poser d'autres questions.
Pour les personnes travaillant directement à la recherche des ondes gravitationnelles, cette tâche n’est bien entendu pas restée inchangée. Ils voient l’objectif, ils savent ce qui doit être réalisé. Bien sûr, ils espèrent que la nature les rencontrera également à mi-chemin et les jettera dans certains galaxie proche une poussée puissante, mais en même temps ils comprennent que, même si la nature n'est pas aussi solidaire, elle ne pourra plus se cacher des scientifiques. La seule question est de savoir quand exactement ils pourront atteindre leurs objectifs. à des fins techniques. L'histoire de cette sensation racontée par une personne qui recherche les ondes gravitationnelles depuis plusieurs décennies peut être entendue dans le film déjà mentionné. "En attendant les vagues et les particules".
Ouverture
Sur la fig. 7 montré résultat principal: profil du signal enregistré par les deux détecteurs. On peut voir que sur fond de bruit, l'oscillation apparaît d'abord faiblement, puis augmente en amplitude et en fréquence. la forme désirée. La comparaison avec les résultats de simulations numériques a permis de préciser quels objets nous avons observés fusionner : il s'agissait de trous noirs de masses d'environ 36 et 29 masses solaires, qui ont fusionné en un seul trou noir de masse de 62 masses solaires (l'erreur en tout ces chiffres, correspondant à un intervalle de confiance de 90 %, sont de 4 masses solaires). Les auteurs notent au passage que le trou noir qui en résulte est le trou noir de masse stellaire le plus lourd jamais observé. La différence entre la masse totale des deux objets initiaux et le trou noir final est de 3 ± 0,5 masses solaires. Ce défaut de masse gravitationnelle a été complètement converti en énergie des ondes gravitationnelles émises en 20 millisecondes environ. Les calculs ont montré que la puissance maximale des ondes gravitationnelles atteignait 3,6·10 56 erg/s, soit, en termes de masse, environ 200 masses solaires par seconde.
La signification statistique du signal détecté est de 5,1σ. En d’autres termes, si l’on suppose que ces fluctuations statistiques se chevauchent et produisent par pur hasard une telle explosion, il faudra attendre 200 000 ans pour qu’un tel événement se produise. Cela nous permet d’affirmer avec certitude que le signal détecté n’est pas une fluctuation.
Le délai entre les deux détecteurs était d'environ 7 millisecondes. Cela a permis d'estimer la direction d'arrivée du signal (Fig. 9). Comme il n'y a que deux détecteurs, la localisation s'est avérée très approximative : la région de la sphère céleste appropriée en termes de paramètres est de 600 degrés carrés.
La collaboration LIGO ne s'est pas limitée à constater simplement le fait d'enregistrer des ondes gravitationnelles, mais a également réalisé la première analyse des implications de cette observation pour l'astrophysique. Dans l'article Astrophysique implications de la fusion des trous noirs binaires GW150914, publié le même jour dans la revue Les lettres du journal astrophysique, les auteurs ont estimé la fréquence à laquelle de telles fusions de trous noirs se produisent. Le résultat était au moins une fusion par gigaparsec cube et par an, ce qui est cohérent avec les prédictions des modèles les plus optimistes à cet égard.
Ce que nous disent les ondes gravitationnelles
La découverte d’un nouveau phénomène après des décennies de recherche n’est pas la fin, mais seulement le début d’une nouvelle branche de la physique. Bien entendu, l’enregistrement des ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux noirs est important en soi. C'est une preuve directe de l'existence des trous noirs, de l'existence de trous noirs doubles, de la réalité des ondes gravitationnelles et, d'une manière générale, de la justesse de l'approche géométrique de la gravité, sur laquelle repose la relativité générale. Mais pour les physiciens, il est tout aussi précieux que l’astronomie des ondes gravitationnelles devienne un nouvel outil de recherche, permettant d’étudier ce qui était auparavant inaccessible.
Premièrement, c’est une nouvelle façon de voir l’Univers et d’étudier les cataclysmes cosmiques. Il n’y a aucun obstacle pour les ondes gravitationnelles ; elles traversent tout ce qui existe dans l’Univers sans aucun problème. Ils sont autonomes : leur profil contient des informations sur le processus qui leur a donné naissance. Enfin, si une grande explosion génère une explosion optique, neutrino et gravitationnelle, nous pouvons alors essayer de les capturer tous, de les comparer les uns aux autres et de comprendre des détails auparavant inaccessibles de ce qui s'y est passé. Être capable de capter et de comparer des signaux aussi différents provenant d’un même événement est l’objectif principal de l’astronomie tous signaux.
Lorsque les détecteurs d'ondes gravitationnelles deviendront encore plus sensibles, ils seront capables de détecter les secousses de l'espace-temps non pas au moment de la fusion, mais quelques secondes avant celle-ci. Ils enverront automatiquement leur signal d'avertissement au réseau général de stations d'observation, et les satellites du télescope astrophysique, ayant calculé les coordonnées de la fusion proposée, auront le temps dans ces secondes de tourner dans la direction souhaitée et de commencer à photographier le ciel avant le sursaut optique. commence.
Deuxièmement, le sursaut d’ondes gravitationnelles nous permettra d’apprendre de nouvelles choses sur les étoiles à neutrons. Une fusion d’étoiles à neutrons est, en fait, l’expérience la plus récente et la plus extrême sur les étoiles à neutrons que la nature puisse réaliser pour nous, et nous, en tant que spectateurs, n’aurons qu’à observer les résultats. Les conséquences observationnelles d'une telle fusion peuvent être variées (Figure 10), et en collectant leurs statistiques, nous pouvons mieux comprendre le comportement des étoiles à neutrons dans de tels environnements exotiques. Revoir état actuel des cas allant dans ce sens peuvent être trouvés dans la publication récente de S. Rosswog, 2015. Image multi-messager des fusions binaires compactes.
Troisièmement, l'enregistrement d'un sursaut provenant d'une supernova et sa comparaison avec observations optiques va nous permettre de comprendre enfin les détails de ce qui se passe à l'intérieur, au tout début de l'effondrement. Actuellement, les physiciens ont encore des difficultés avec modélisation numérique ce processus.
Quatrièmement, les physiciens impliqués dans la théorie de la gravité disposent d’un « laboratoire » convoité pour étudier les effets d’une forte gravité. Jusqu’à présent, tous les effets de la relativité générale que l’on pouvait observer directement étaient liés à la gravité dans les champs faibles. On pourrait deviner ce qui se passe dans des conditions de forte gravité, lorsque les distorsions de l'espace-temps commencent à interagir fortement avec elles-mêmes, uniquement à partir de manifestations indirectes, à travers l'écho optique des catastrophes cosmiques.
Cinquièmement, il semble nouvelle opportunité pour tester des théories exotiques de la gravité. De telles théories dans physique moderne déjà beaucoup, voir, par exemple, le chapitre qui leur est consacré du livre populaire de A. N. Petrov « Gravity ». Certaines de ces théories ressemblent à la relativité générale conventionnelle dans la limite des champs faibles, mais peuvent être très différentes lorsque la gravité devient très forte. D'autres admettent l'existence d'un nouveau type de polarisation pour les ondes gravitationnelles et prédisent une vitesse légèrement différente de celle de la lumière. Enfin, certaines théories incluent des dimensions spatiales supplémentaires. Que peut-on en dire sur la base des ondes gravitationnelles est une question ouverte, mais il est clair que certaines informations peuvent être exploitées ici. Nous vous recommandons également de lire l'avis des astrophysiciens eux-mêmes sur ce qui va changer avec la découverte des ondes gravitationnelles, dans une sélection sur Postnauka.
Projets futurs
Les perspectives de l’astronomie des ondes gravitationnelles sont des plus encourageantes. Seule la première et la plus courte session d'observation du détecteur aLIGO est terminée - et déjà dans ce court laps de temps, un signal clair a été détecté. Il serait plus précis de dire ceci : le premier signal a été capté avant même le début officiel, et la collaboration n'a pas encore rendu compte des quatre mois de travail. Qui sait, peut-être y a-t-il déjà quelques pics supplémentaires ? D'une manière ou d'une autre, mais de plus, à mesure que la sensibilité des détecteurs augmente et que la partie de l'Univers accessible aux observations des ondes gravitationnelles s'étend, le nombre d'événements enregistrés augmentera comme une avalanche.
Le calendrier des sessions prévu pour le réseau LIGO-Virgo est illustré à la Fig. 11. La deuxième session, d'une durée de six mois, débutera à la fin de cette année, la troisième session durera presque toute l'année 2018 et à chaque étape, la sensibilité du détecteur augmentera. Vers 2020, aLIGO devrait atteindre sa sensibilité prévue, ce qui permettra au détecteur de sonder l'Univers à la recherche de fusions d'étoiles à neutrons éloignées de nous à des distances allant jusqu'à 200 Mpc. Pour des événements de fusion de trous noirs encore plus énergiques, la sensibilité peut atteindre presque un gigaparsec. D'une manière ou d'une autre, le volume de l'Univers disponible pour l'observation augmentera des dizaines de fois par rapport à la première session.
Le laboratoire italien Virgo remanié entrera également en jeu plus tard cette année. Sa sensibilité est légèrement inférieure à celle du LIGO, mais reste tout à fait correcte. Grâce à la méthode de triangulation, un trio de détecteurs espacés dans l'espace permettra de bien mieux restituer la position des sources sur sphère céleste. Si maintenant, avec deux détecteurs, la zone de localisation atteint des centaines de degrés carrés, alors trois détecteurs la réduiront à des dizaines. En outre, une antenne à ondes gravitationnelles KAGRA similaire est actuellement en construction au Japon, qui entrera en service dans deux à trois ans, et en Inde, vers 2022, le lancement du détecteur LIGO-India est prévu. En conséquence, après plusieurs années, il fonctionnera et enregistrera régulièrement des signaux. tout le réseau détecteurs d'ondes gravitationnelles (Fig. 13).
Enfin, il est prévu de lancer dans l'espace des instruments à ondes gravitationnelles, notamment le projet eLISA. Il y a deux mois, le premier satellite de test a été mis en orbite, dont la tâche sera de tester des technologies. La véritable détection des ondes gravitationnelles est encore loin. Mais lorsque ce groupe de satellites commencera à collecter des données, il ouvrira une autre fenêtre sur l’Univers – grâce aux ondes gravitationnelles basse fréquence. Cette approche toutes ondes des ondes gravitationnelles constitue un objectif majeur à long terme pour ce domaine.
Parallèles
La découverte des ondes gravitationnelles a été la troisième fois au cours des dernières années que les physiciens ont finalement surmonté tous les obstacles et découvert les subtilités jusqu'alors inconnues de la structure de notre monde. En 2012, le boson de Higgs a été découvert, une particule prédite il y a près d'un demi-siècle. En 2013, le détecteur de neutrinos IceCube a prouvé la réalité des neutrinos astrophysiques et a commencé à « regarder l'univers » d'une manière complètement nouvelle, auparavant inaccessible : à travers les neutrinos. hautes énergies. Et maintenant, la nature a de nouveau succombé face à l’homme : une « fenêtre » d’ondes gravitationnelles s’est ouverte pour observer l’univers et, en même temps, les effets d’une forte gravité sont devenus disponibles pour une étude directe.
Il faut dire qu'il n'y avait nulle part ici de « cadeau » de la nature. La recherche a duré très longtemps, mais elle n’a pas abouti car, il y a des décennies, l’équipement n’avait pas atteint le résultat en termes d’énergie, d’échelle ou de sensibilité. C'est le développement constant et ciblé de la technologie qui a permis d'atteindre cet objectif, un développement qui n'a été stoppé ni par les difficultés techniques ni par les résultats négatifs des années passées.
Et dans les trois cas, le fait même de la découverte n'était pas la fin, mais, au contraire, le début d'une nouvelle direction de recherche, il est devenu un nouvel outil pour sonder notre monde. Les propriétés du boson de Higgs sont désormais disponibles pour la mesure - et dans ces données, les physiciens tentent de discerner les effets de la nouvelle physique. Grâce à l’augmentation des statistiques des neutrinos de haute énergie, l’astrophysique des neutrinos fait ses premiers pas. On attend désormais au moins la même chose de l’astronomie des ondes gravitationnelles, et il y a toutes les raisons d’être optimiste.
Sources :
1) Coll. Scientifique LIGO. et Vierge Coll. Observation des ondes gravitationnelles d'une fusion binaire de trous noirs // Phys. Tour. Lett. Publié le 11 février 2016.
2) Documents de détection - une liste d'articles techniques accompagnant l'article de découverte principal.
3) E. Berti. Point de vue : Les premiers sons de la fusion des trous noirs // Physique. 2016. V. 9. N. 17.
Documents de révision :
1) David Blair et coll. Astronomie des ondes gravitationnelles : l'état actuel // arXiv:1602.02872.
2) Benjamin P. Abbott et LIGO Scientific Collaboration et Virgo Collaboration. Perspectives d'observation et de localisation des transitoires d'ondes gravitationnelles avec Advanced LIGO et Advanced Virgo // Révérend vivant. Relativité. 2016. V. 19. N. 1.
3) O.D. Aguiar. Le passé, le présent et l'avenir des détecteurs d'ondes gravitationnelles à masse résonante // Rés. Astrone. Astrophysique. 2011. V. 11. N. 1.
4) La recherche des ondes gravitationnelles - une sélection de matériaux sur le site du magazine Science sur la recherche des ondes gravitationnelles.
5) Matthew Pitkin, Stuart Reid, Sheila Rowan, Jim Hough. Détection des ondes gravitationnelles par interférométrie (Sol et espace) // arXiv:1102.3355.
6) V.B. Braginsky. Astronomie des ondes gravitationnelles : nouvelles méthodes de mesure // UFN. 2000. T. 170. pp. 743-752.
7) Peter R. Saulson.
Cent ans après la prédiction théorique faite par Albert Einstein dans le cadre de la théorie de la relativité générale, les scientifiques ont pu confirmer l'existence des ondes gravitationnelles. L’ère d’une méthode fondamentalement nouvelle pour étudier l’espace profond – l’astronomie des ondes gravitationnelles – commence.
Il y a différentes découvertes. Il y en a au hasard, ils sont courants en astronomie. Il n’y en a pas de tout à fait accidentels, résultant d’un « ratissage minutieux de la zone », comme la découverte d’Uranus par William Herschel. Il y en a des fortuits - lorsqu'ils cherchaient une chose et en trouvèrent une autre : par exemple, ils découvrirent l'Amérique. Mais endroit spécial En science, les découvertes planifiées occupent le premier plan. Ils reposent sur une prédiction théorique claire. Ce qui est prédit est recherché avant tout pour confirmer la théorie. Ces découvertes incluent la découverte du boson de Higgs au Grand collisionneur de hadrons et la détection d'ondes gravitationnelles à l'aide de l'observatoire d'ondes gravitationnelles à interféromètre laser LIGO. Mais pour enregistrer un phénomène prédit par la théorie, vous devez avoir une assez bonne compréhension de quoi exactement et où chercher, ainsi que des outils nécessaires pour cela.
Les ondes gravitationnelles sont traditionnellement appelées une prédiction de la théorie de la relativité générale (GTR), et c'est effectivement le cas (même si de telles ondes existent désormais dans tous les modèles alternatifs ou complémentaires au GTR). L'apparition des ondes est causée par la vitesse finie de propagation interaction gravitationnelle(en relativité générale, cette vitesse est exactement égale à la vitesse de la lumière). De telles ondes sont des perturbations de l’espace-temps se propageant à partir d’une source. Pour que les ondes gravitationnelles se produisent, la source doit vibrer ou se déplacer à un rythme accéléré, mais d’une certaine manière. Disons que les mouvements à parfaite symétrie sphérique ou cylindrique ne conviennent pas. Il existe de nombreuses sources de ce type, mais elles ont souvent une faible masse, insuffisante pour générer un signal puissant. Après tout, la gravité est la plus faible des quatre interactions fondamentales, il est donc très difficile d’enregistrer un signal gravitationnel. De plus, pour l'enregistrement, il est nécessaire que le signal change rapidement dans le temps, c'est-à-dire qu'il ait suffisamment haute fréquence. Sinon, nous ne pourrons pas l'enregistrer, car les changements seront trop lents. Cela signifie que les objets doivent également être compacts.
Au départ, les explosions de supernova qui se produisent dans des galaxies comme la nôtre toutes les quelques décennies ont suscité un grand enthousiasme. Cela signifie que si nous parvenons à atteindre une sensibilité qui nous permet de voir un signal à une distance de plusieurs millions d'années-lumière, nous pouvons compter sur plusieurs signaux par an. Mais plus tard, il s'est avéré que les premières estimations de la puissance de libération d'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles lors de l'explosion d'une supernova étaient trop optimistes et qu'un signal aussi faible ne pouvait être détecté que si une supernova avait éclaté dans notre Galaxie.
Une autre option pour les objets massifs et compacts qui se déplacent rapidement sont les étoiles à neutrons ou les trous noirs. Nous pouvons voir soit le processus de leur formation, soit le processus d'interaction les uns avec les autres. Dernières étapes de l'effondrement noyaux stellaires, conduisant à la formation d'objets compacts, ainsi que les dernières étapes de la fusion des étoiles à neutrons et des trous noirs, ont une durée de l'ordre de plusieurs millisecondes (ce qui correspond à une fréquence de centaines de hertz) - juste ce qu'il faut . Dans ce cas, beaucoup d'énergie est libérée, notamment (et parfois principalement) sous forme d'ondes gravitationnelles, puisque les corps massifs et compacts effectuent certains mouvements rapides. Ce sont nos sources idéales.
Certes, les supernovae éclatent dans la Galaxie toutes les quelques décennies, les fusions d'étoiles à neutrons se produisent tous les deux dizaines de milliers d'années et les trous noirs fusionnent encore moins souvent. Mais le signal est beaucoup plus puissant et ses caractéristiques peuvent être calculées avec assez de précision. Mais il faut maintenant pouvoir voir le signal à une distance de plusieurs centaines de millions d'années-lumière pour couvrir plusieurs dizaines de milliers de galaxies et détecter plusieurs signaux par an.
Après avoir choisi les sources, nous commencerons à concevoir le détecteur. Pour ce faire, vous devez comprendre ce que fait une onde gravitationnelle. Sans entrer dans les détails, on peut dire que le passage d'une onde gravitationnelle provoque une force de marée (les marées lunaires ou solaires ordinaires sont un phénomène à part, et les ondes gravitationnelles n'y sont pour rien). Ainsi, vous pouvez prendre par exemple un cylindre métallique, l'équiper de capteurs et étudier ses vibrations. Ce n’est pas difficile, c’est pourquoi de telles installations ont commencé à être réalisées il y a un demi-siècle (elles sont également disponibles en Russie ; aujourd’hui, dans le laboratoire souterrain de Baksan, un détecteur amélioré développé par l’équipe de Valentin Rudenko du SAI MSU est en cours d’installation). Le problème est qu’un tel appareil verra le signal sans aucune onde gravitationnelle. Il y a beaucoup de bruits difficiles à gérer. Il est possible (et cela a été fait !) d'installer le détecteur sous terre, d'essayer de l'isoler, de le refroidir à basses températures, mais néanmoins, pour dépasser le niveau de bruit, il faudrait un signal d'onde gravitationnelle très puissant. Mais les signaux puissants arrivent rarement.
Le choix a donc été fait en faveur d'un autre projet proposé en 1962 par Vladislav Pustovoit et Mikhail Herzenstein. Dans un article publié dans JETP (Journal of Experimental and physique théorique), ils ont proposé d'utiliser un interféromètre de Michelson pour enregistrer les ondes gravitationnelles. Le faisceau laser passe entre les miroirs des deux bras de l’interféromètre, puis les faisceaux des différents bras sont ajoutés. En analysant le résultat de l'interférence du faisceau, le changement relatif dans la longueur des bras peut être mesuré. Ce sont des mesures très précises, donc si vous éliminez le bruit, vous pouvez obtenir une sensibilité fantastique.
Au début des années 1990, il a été décidé de construire plusieurs détecteurs utilisant cette conception. Les premières à être mises en service furent des installations relativement petites, GEO600 en Europe et TAMA300 au Japon (les chiffres correspondent à la longueur des bras en mètres) pour tester la technologie. Mais les principaux acteurs devaient être les installations LIGO aux États-Unis et VIRGO en Europe. La taille de ces instruments se mesure déjà en kilomètres, et la sensibilité finale prévue devrait permettre d'observer des dizaines, voire des centaines d'événements par an.
Pourquoi plusieurs appareils sont-ils nécessaires ? Principalement pour la validation croisée, car il existe des bruits locaux (par exemple sismiques). La détection simultanée du signal dans le nord-ouest des États-Unis et en Italie constituerait une excellente preuve de son origine externe. Mais il y a une deuxième raison : les détecteurs d’ondes gravitationnelles sont très incapables de déterminer la direction vers la source. Mais s’il y a plusieurs détecteurs espacés, il sera possible d’indiquer la direction avec assez de précision.
Géants du laser
Dans leur forme originale, les détecteurs LIGO ont été construits en 2002 et les détecteurs VIRGO en 2003. Selon le plan, ce n'était que la première étape. Toutes les installations ont fonctionné pendant plusieurs années, et en 2010-2011 elles ont été arrêtées pour modifications, afin d'atteindre ensuite la haute sensibilité prévue. Les détecteurs LIGO ont été les premiers à fonctionner en septembre 2015, VIRGO devrait les rejoindre au second semestre 2016, et à partir de ce stade la sensibilité permet d'espérer enregistrer au moins plusieurs événements par an.
Après que LIGO ait commencé à fonctionner, le taux de rafales attendu était d'environ un événement par mois. Les astrophysiciens estimaient par avance que les premiers événements attendus seraient des fusions de trous noirs. Cela est dû au fait que les trous noirs sont généralement dix fois plus lourds que les étoiles à neutrons, que le signal est plus puissant et qu’il est « visible » à de grandes distances, ce qui compense largement le faible taux d’événements par galaxie. Heureusement, nous n'avons pas eu à attendre longtemps. Le 14 septembre 2015, les deux installations ont enregistré un signal presque identique, nommé GW150914.
Avec une analyse assez simple, des données telles que la masse des trous noirs, la force du signal et la distance à la source peuvent être obtenues. La masse et la taille des trous noirs sont liées d'une manière très simple et bien connue, et à partir de la fréquence du signal, on peut immédiatement estimer la taille de la région de libération d'énergie. DANS dans ce cas la taille indiquait qu'un trou noir d'une masse de plus de 60 masses solaires s'était formé à partir de deux trous d'une masse de 25 à 30 et 35 à 40 masses solaires. Connaissant ces données, on peut obtenir l'énergie totale du sursaut. Près de trois masses solaires ont été converties en rayonnement gravitationnel. Cela correspond à la luminosité de 1023 luminosités solaires - à peu près la même quantité que celle émise par toutes les étoiles de la partie visible de l'Univers pendant cette période (centièmes de seconde). Et de énergie connue et l'amplitude du signal mesuré, la distance est obtenue. Grande masse la fusion des corps a permis d'enregistrer un événement survenu dans une galaxie lointaine : le signal a mis environ 1,3 milliard d'années pour nous parvenir.
Une analyse plus détaillée permet de clarifier le rapport de masse des trous noirs et de comprendre comment ils tournaient autour de leur axe, ainsi que de déterminer certains autres paramètres. De plus, le signal de deux installations permet de déterminer approximativement la direction du burst. Malheureusement, la précision ici n'est pas encore très élevée, mais avec la mise en service du VIRGO mis à jour, elle augmentera. Et dans quelques années, le détecteur japonais KAGRA commencera à recevoir des signaux. Ensuite, l'un des détecteurs LIGO (il y en avait à l'origine trois, l'une des installations était double) sera assemblé en Inde, et on s'attend à ce que plusieurs dizaines d'événements soient enregistrés par an.
L'ère de la nouvelle astronomie
Sur à l'heure actuelle Le résultat le plus important de LIGO est la confirmation de l'existence d'ondes gravitationnelles. De plus, le tout premier sursaut a permis d'améliorer les restrictions sur la masse du graviton (en relativité générale il a une masse nulle), ainsi que de limiter plus fortement l'écart entre la vitesse de propagation de la gravité et la vitesse de lumière. Mais les scientifiques espèrent que dès 2016, ils pourront obtenir de nombreuses nouvelles données astrophysiques grâce à LIGO et VIRGO.
Premièrement, les données des observatoires d’ondes gravitationnelles ouvrent une nouvelle voie pour étudier les trous noirs. Si auparavant il n'était possible d'observer les flux de matière qu'à proximité de ces objets, on peut désormais « voir » directement le processus de fusion et « d'apaisement » du trou noir résultant, comment son horizon fluctue, prenant sa forme finale ( déterminé par rotation). Probablement, jusqu'à la découverte de l'évaporation de Hawking des trous noirs (pour l'instant ce processus reste une hypothèse), l'étude des fusions fournira de meilleures informations directes à leur sujet.
Deuxièmement, les observations de fusions d’étoiles à neutrons apporteront de nombreuses découvertes nouvelles et extrêmement informations nécessaires sur ces objets. Pour la première fois, nous pourrons étudier les étoiles à neutrons comme les physiciens étudient les particules : les observer entrer en collision pour comprendre leur fonctionnement à l’intérieur. Le mystère de la structure intérieure des étoiles à neutrons inquiète à la fois les astrophysiciens et les physiciens. Notre compréhension physique nucléaire et le comportement de la matière à ultra-haute densité est incomplet sans résoudre ce problème. Il est probable que les observations des ondes gravitationnelles joueront ici un rôle clé.
On pense que les fusions d’étoiles à neutrons sont responsables de courts sursauts gamma cosmologiques. Dans de rares cas, il sera possible d'observer simultanément un événement à la fois dans la gamme gamma et sur des détecteurs d'ondes gravitationnelles (la rareté est due au fait que, d'une part, le signal gamma est concentré dans un faisceau très étroit, et il n'est pas toujours dirigés vers nous, mais deuxièmement, nous n'enregistrerons pas d'ondes gravitationnelles provenant d'événements très lointains). Apparemment, il faudra plusieurs années d'observation pour pouvoir constater cela (même si, comme d'habitude, vous aurez peut-être de la chance et cela se produira aujourd'hui). Nous pourrons alors, entre autres, comparer très précisément la vitesse de la gravité avec la vitesse de la lumière.
Ainsi, les interféromètres laser fonctionneront ensemble comme un seul télescope à ondes gravitationnelles, apportant de nouvelles connaissances aux astrophysiciens et aux physiciens. Eh bien, tôt ou tard, un prix Nobel bien mérité sera décerné pour la découverte des premiers sursauts et leur analyse.
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"Il n'y a pas si longtemps fort intérêt Ce qui a déclenché la communauté scientifique, c'est une série d'expériences à long terme visant à observer directement les ondes gravitationnelles, a écrit le physicien théoricien Michio Kaku dans son livre de 2004 Le Cosmos d'Einstein. — Le projet LIGO (Laser Interferometer for Observing Gravitational Waves) pourrait être le premier à « voir » des ondes gravitationnelles, très probablement issues de la collision de deux trous noirs dans l'espace lointain. LIGO est le rêve devenu réalité d’un physicien, la première installation dotée de suffisamment de puissance pour mesurer les ondes gravitationnelles. »
La prédiction de Kaku s'est réalisée : jeudi, un groupe de scientifiques internationaux de l'observatoire LIGO a annoncé la découverte d'ondes gravitationnelles.
Les ondes gravitationnelles sont des oscillations dans l'espace-temps qui « échappent » à des objets massifs (tels que des trous noirs) qui se déplacent avec accélération. En d’autres termes, les ondes gravitationnelles sont une perturbation généralisée de l’espace-temps, une déformation progressive du vide absolu.
Un trou noir est une région de l'espace-temps attraction gravitationnelle qui est si grand que même les objets se déplaçant à la vitesse de la lumière (y compris la lumière elle-même) ne peuvent pas le quitter. La frontière séparant un trou noir du reste du monde s’appelle l’horizon des événements : tout ce qui se passe à l’intérieur de l’horizon des événements est caché aux yeux d’un observateur extérieur.
Erin Ryan Une photo d'un gâteau publiée en ligne par Erin Ryan.
Les scientifiques ont commencé à capter les ondes gravitationnelles il y a un demi-siècle : c'était alors physicien américain Joseph Weber s'est intéressé à la théorie de la relativité générale (GR) d'Einstein, a pris un congé sabbatique et a commencé à étudier les ondes gravitationnelles. Weber a inventé le premier appareil permettant de détecter les ondes gravitationnelles et a rapidement annoncé qu'il avait enregistré « le son des ondes gravitationnelles ». Cependant, la communauté scientifique a réfuté son message.
Cependant, c’est grâce à Joseph Weber que de nombreux scientifiques se sont transformés en « chasseurs de vagues ». Aujourd'hui, Weber est considéré comme le père direction scientifique astronomie des ondes gravitationnelles.
"C'est le début d'une nouvelle ère de l'astronomie gravitationnelle"
L'observatoire LIGO, où les scientifiques ont enregistré les ondes gravitationnelles, se compose de trois installations laser aux États-Unis : deux sont situées dans l'État de Washington et une en Louisiane. C'est ainsi que Michio Kaku décrit le fonctionnement des détecteurs laser : « Le faisceau laser est divisé en deux faisceaux distincts, qui sont ensuite perpendiculaires l'un à l'autre. Puis, réfléchis par le miroir, ils se reconnectent. Si une onde gravitationnelle traverse un interféromètre (appareil de mesure), les longueurs de trajet des deux faisceaux laser seront perturbées et cela se reflétera dans leur diagramme d'interférence. Pour garantir que le signal enregistré appareil laser, n’est pas aléatoire, les détecteurs doivent être placés dans différents points Terre.
Ce n’est que sous l’influence d’une gigantesque onde gravitationnelle, bien plus grande que notre planète, que tous les détecteurs fonctionneront simultanément.
Aujourd'hui, la collaboration LIGO a détecté un rayonnement gravitationnel provoqué par la fusion d'un système binaire de trous noirs de masses de 36 et 29 masses solaires en un objet d'une masse de 62 masses solaires. "C'est la première mesure directe (il est très important que ce soit direct !) de l'action des ondes gravitationnelles", a commenté Sergueï Viatchanine, professeur à la Faculté de physique de l'Université d'État de Moscou, au correspondant de Gazeta.Ru. département des sciences. — C'est-à-dire qu'un signal a été reçu de la catastrophe astrophysique de la fusion de deux trous noirs. Et ce signal est identifié - c'est aussi très important ! Il est clair qu’il s’agit de deux trous noirs. Et c'est le début d'une nouvelle ère de l'astronomie gravitationnelle, qui permettra d'obtenir des informations sur l'Univers non seulement grâce à des sources optiques, de rayons X, électromagnétiques et de neutrinos - mais aussi grâce aux ondes gravitationnelles.
On peut dire que 90 pour cent des trous noirs ont cessé d’être des objets hypothétiques. Certains doutes subsistent, mais le signal capté correspond néanmoins très bien à ce que prédisent d'innombrables simulations de la fusion de deux trous noirs conformément à la théorie de la relativité générale.
C’est un argument fort selon lequel les trous noirs existent. Il n’y a pas encore d’autre explication pour ce signal. Il est donc admis que les trous noirs existent.
"Einstein serait très heureux"
Les ondes gravitationnelles ont été prédites par Albert Einstein (qui, soit dit en passant, était sceptique quant à l'existence des trous noirs) dans le cadre de sa théorie de la relativité générale. Dans GR, le temps s'ajoute aux trois dimensions spatiales et le monde devient quadridimensionnel. Selon la théorie qui a bouleversé toute la physique, la gravité est une conséquence de la courbure de l’espace-temps sous l’influence de la masse.
Einstein a prouvé que toute matière se déplaçant avec une accélération crée une perturbation dans l'espace-temps : une onde gravitationnelle. Cette perturbation est d'autant plus grande que l'accélération et la masse de l'objet sont élevées.
En raison de la faiblesse forces gravitationnelles par rapport aux autres interactions fondamentales ces ondes doivent avoir une très petite magnitude, difficile à enregistrer.
Lorsqu’ils expliquent la relativité générale aux spécialistes des sciences humaines, les physiciens leur demandent souvent d’imaginer une feuille de caoutchouc étirée sur laquelle sont posées d’énormes billes. Les billes s'enfoncent dans le caoutchouc et la feuille étirée (qui représente l'espace-temps) se déforme. Selon la relativité générale, l’Univers tout entier est constitué de caoutchouc sur lequel chaque planète, chaque étoile et chaque galaxie laisse des traces. Notre Terre tourne autour du Soleil comme si petite boule, a commencé à rouler autour du cône d’un entonnoir formé à la suite de la « poussée à travers » l’espace-temps avec une balle lourde.
DOCUMENT/Reuters
La boule lourde c'est le Soleil
Il est probable que la découverte des ondes gravitationnelles, qui constitue la principale confirmation de la théorie d'Einstein, soit éligible au prix Nobel de physique. "Einstein serait très heureux", a déclaré Gabriella Gonzalez, porte-parole de la collaboration LIGO.
Selon les scientifiques, il est trop tôt pour parler de l'applicabilité pratique de la découverte. "Cependant, Heinrich Hertz (physicien allemand qui a prouvé l'existence des ondes électromagnétiques. - Gazeta.Ru) pourrait-il penser qu'il y aurait téléphone mobile? Non! "Nous ne pouvons rien imaginer maintenant", a déclaré Valery Mitrofanov, professeur à la Faculté de physique de l'Université d'État de Moscou. M.V. Lomonossov. — Je me concentre sur le film « Interstellar ». Il est critiqué, oui, mais on pourrait même imaginer un tapis magique homme sauvage. Et le tapis magique s’est transformé en avion, et c’est tout. Et ici, nous devons imaginer quelque chose de très complexe. Dans Interstellar, l'un des points est lié au fait qu'une personne peut voyager d'un monde à un autre. Si vous imaginez ainsi, croyez-vous qu'une personne peut voyager d'un monde à un autre, qu'il peut y avoir plusieurs univers – n'importe quoi ? Je ne peux pas répondre non. Parce qu’un physicien ne peut pas répondre « non » à une telle question ! Seulement si cela contredit certaines lois de conservation ! Il existe des options qui ne contredisent pas les lois physiques connues. Ainsi, il peut y avoir des voyages à travers les mondes ! »
Le 11 février 2016, un groupe international de scientifiques, notamment russes, lors d'une conférence de presse à Washington, a annoncé une découverte qui, tôt ou tard, changera le développement de la civilisation. Il a été possible de prouver en pratique les ondes gravitationnelles ou les ondes de l'espace-temps. Leur existence a été prédite il y a 100 ans par Albert Einstein dans son livre.
Personne ne doute que cette découverte sera récompensée Prix Nobel. Les scientifiques ne sont pas pressés d'en parler application pratique. Mais ils nous rappellent que jusqu'à tout récemment, l'humanité ne savait pas non plus quoi faire des ondes électromagnétiques, qui a finalement conduit à une véritable révolution scientifique et technologique.
Que sont les ondes gravitationnelles en termes simples
La gravité et la gravitation universelle sont une seule et même chose. Les ondes gravitationnelles sont l'une des solutions au GPV. Ils doivent se propager à la vitesse de la lumière. Il est émis par tout corps se déplaçant avec une accélération variable.
Par exemple, il tourne sur son orbite avec une accélération variable dirigée vers l'étoile. Et cette accélération est en constante évolution. système solaireémet une énergie de l’ordre de plusieurs kilowatts sous forme d’ondes gravitationnelles. C'est une somme insignifiante, comparable à 3 vieilles TV couleur.
Une autre chose est que deux pulsars (étoiles à neutrons) tournent autour l’un de l’autre. Ils tournent sur des orbites très rapprochées. Un tel « couple » a été découvert par les astrophysiciens et observé depuis longtemps. Les objets étaient prêts à tomber les uns sur les autres, ce qui indiquait indirectement que les pulsars émettaient des ondes spatio-temporelles, c'est-à-dire de l'énergie dans leur champ.
La gravité est la force de gravité. Nous sommes attirés par la terre. Et l’essence d’une onde gravitationnelle est un changement dans ce champ, qui est extrêmement faible lorsqu’elle nous atteint. Prenons par exemple le niveau d’eau dans un réservoir. Intensité du champ gravitationnel - accélération chute libre V point précis. Une vague traverse notre étang, et soudain l’accélération de la chute libre change, juste un peu.
De telles expériences ont commencé dans les années 60 du siècle dernier. À cette époque, ils ont imaginé ceci : ils ont suspendu un énorme cylindre en aluminium, refroidi pour éviter les fluctuations thermiques internes. Et ils attendaient qu’une vague provenant d’une collision, par exemple, de deux trous noirs massifs, nous atteigne soudainement. Les chercheurs étaient pleins d'enthousiasme et ont déclaré que tout globe peut subir les effets d’une onde gravitationnelle provenant de espace extra-atmosphérique. La planète se mettra à vibrer et ces ondes sismiques (ondes de compression, de cisaillement et de surface) pourront être étudiées.
Un article important sur l'appareil en termes simples et sur la manière dont les Américains et LIGO ont volé l'idée des scientifiques soviétiques et construit des introféromètres qui ont rendu la découverte possible. Personne n'en parle, tout le monde se tait !
D’ailleurs, le rayonnement gravitationnel est plus intéressant depuis la position rayonnement de fond cosmique à micro-ondes, qu'ils tentent de trouver en modifiant le spectre du rayonnement électromagnétique. Relique et rayonnement électromagnétique est apparu 700 mille ans après grand coup, alors en cours d'expansion de l'univers, rempli de gaz chauds avec des ondes de choc progressives, qui se sont ensuite transformées en galaxies. Dans ce cas, naturellement, un nombre gigantesque et ahurissant d’ondes spatio-temporelles auraient dû être émises, affectant la longueur d’onde du rayonnement de fond cosmique micro-ondes, qui à cette époque était encore optique. L'astrophysicien russe Sazhin écrit et publie régulièrement des articles sur ce sujet.
Interprétation erronée de la découverte des ondes gravitationnelles
« Un miroir se bloque, une onde gravitationnelle agit sur lui et il se met à osciller. Et même les fluctuations les plus insignifiantes avec une amplitude inférieure à la taille d'un noyau atomique sont remarquées par les instruments » - une telle interprétation incorrecte, par exemple, est utilisée dans l'article Wikipédia. Ne soyez pas paresseux, trouvez un article de scientifiques soviétiques de 1962.
Premièrement, le miroir doit être massif pour ressentir les « ondulations ». Deuxièmement, il doit être refroidi à presque zéro absolu(en Kelvin) pour éviter ses propres fluctuations thermiques. Très probablement, non seulement au 21e siècle, mais en général, il ne sera jamais possible de détecter une particule élémentaire - porteuse d'ondes gravitationnelles :
