Les astrophysiciens ont confirmé l'existence d'ondes gravitationnelles, dont l'existence avait été prédite par Albert Einstein il y a environ 100 ans. Ils ont été détectés à l’aide de détecteurs de l’observatoire d’ondes gravitationnelles LIGO, situé aux États-Unis.
Pour la première fois dans l'histoire, l'humanité a enregistré des ondes gravitationnelles - des vibrations de l'espace-temps qui sont arrivées sur Terre à la suite de la collision de deux trous noirs survenue loin dans l'Univers. Des scientifiques russes ont également contribué à cette découverte. Jeudi, les chercheurs parlent de leur découverte dans le monde entier - à Washington, Londres, Paris, Berlin et dans d'autres villes, dont Moscou.
La photo montre une simulation d'une collision de trou noir
Lors d'une conférence de presse au bureau de Rambler&Co, Valery Mitrofanov, responsable de la partie russe de la collaboration LIGO, a annoncé la découverte des ondes gravitationnelles :
« Nous sommes honorés de participer à ce projet et de vous présenter les résultats. Je vais maintenant vous expliquer le sens de la découverte en russe. Nous avons vu de belles photos de détecteurs LIGO aux États-Unis. La distance qui les sépare est de 3000 km. Sous l'influence d'une onde gravitationnelle, l'un des détecteurs s'est déplacé, après quoi nous les avons découverts. Au début, nous n'avons vu que du bruit sur l'ordinateur, puis la masse des détecteurs Hamford a commencé à trembler. Après avoir calculé les données obtenues, nous avons pu déterminer que ce sont des trous noirs qui sont entrés en collision à une distance de 1,3 milliard. à des années-lumière. Le signal était très clair, il ressortait très clairement du bruit. Beaucoup de gens nous ont dit que nous avions de la chance, mais la nature nous a fait un tel cadeau. Des ondes gravitationnelles ont été découvertes, c’est sûr.
Les astrophysiciens ont confirmé les rumeurs selon lesquelles ils auraient pu détecter des ondes gravitationnelles à l'aide de détecteurs de l'observatoire des ondes gravitationnelles LIGO. Cette découverte permettra à l’humanité de faire des progrès significatifs dans la compréhension du fonctionnement de l’Univers.
La découverte a eu lieu le 14 septembre 2015 simultanément avec deux détecteurs à Washington et en Louisiane. Le signal est arrivé aux détecteurs à la suite de la collision de deux trous noirs. Il a fallu beaucoup de temps aux scientifiques pour vérifier que ce sont les ondes gravitationnelles qui étaient le produit de la collision.
La collision des trous s’est produite à une vitesse d’environ la moitié de la vitesse de la lumière, soit environ 150 792 458 m/s.
« La gravité newtonienne a été décrite dans un espace plat, et Einstein l'a transférée dans le plan du temps et a supposé qu'elle le plie. L'interaction gravitationnelle est très faible. Sur Terre, les expériences visant à créer des ondes gravitationnelles sont impossibles. Ils n'ont été découverts qu'après la fusion de trous noirs. Le détecteur s'est déplacé, imaginez, de 10 à -19 mètres. Vous ne pouvez pas le sentir avec vos mains. Uniquement à l'aide d'instruments très précis. Comment faire cela ? Le faisceau laser avec lequel le décalage a été enregistré était de nature unique. L'antenne laser gravitationnelle de deuxième génération de LIGO est devenue opérationnelle en 2015. La sensibilité permet de détecter les perturbations gravitationnelles environ une fois par mois. C’est une science mondiale et américaine avancée ; il n’y a rien de plus précis au monde. Nous espérons qu’il sera capable de dépasser la limite standard de sensibilité quantique », explique la découverte. Sergueï Viatchanine, employé du Département de physique de l'Université d'État de Moscou et de la collaboration LIGO.
La limite quantique standard (SQL) en mécanique quantique est une limitation imposée à la précision d'une mesure continue ou répétée de toute quantité décrite par un opérateur qui ne fait pas la navette avec lui-même à des moments différents. Prédit en 1967 par V.B. Braginsky, le terme Standard Quantum Limit (SQL) a été proposé plus tard par Thorne. Le SKP est étroitement lié à la relation d'incertitude de Heisenberg.
En résumé, Valery Mitrofanov a parlé de projets de recherche ultérieure :
« Cette découverte est le début d’une nouvelle astronomie des ondes gravitationnelles. Grâce au canal des ondes gravitationnelles, nous espérons en apprendre davantage sur l’Univers. On connaît la composition de seulement 5% de la matière, le reste est un mystère. Les détecteurs de gravité vous permettront de voir le ciel en « ondes gravitationnelles ». À l’avenir, nous espérons voir le début de tout, c’est-à-dire le rayonnement relique du Big Bang, et comprendre ce qui s’est exactement passé alors. »
Les ondes gravitationnelles ont été proposées pour la première fois par Albert Einstein en 1916, il y a presque exactement 100 ans. L’équation des ondes est une conséquence des équations de la théorie de la relativité et n’est pas dérivée de la manière la plus simple.
Le physicien théoricien canadien Clifford Burgess a précédemment publié une lettre affirmant que l'observatoire avait détecté un rayonnement gravitationnel causé par la fusion d'un système binaire de trous noirs de masses de 36 et 29 masses solaires dans un objet d'une masse de 62 masses solaires. La collision et l'effondrement gravitationnel asymétrique durent une fraction de seconde, et pendant ce temps, une énergie représentant jusqu'à 50 pour cent de la masse du système est perdue dans le rayonnement gravitationnel - des ondulations dans l'espace-temps.
Une onde gravitationnelle est une onde de gravité générée dans la plupart des théories de la gravitation par le mouvement de corps gravitationnels à accélération variable. En raison de la relative faiblesse des forces gravitationnelles (par rapport aux autres), ces ondes devraient avoir une ampleur très faible, difficile à enregistrer. Leur existence a été prédite il y a environ un siècle par Albert Einstein.
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 amélioré a détecté une explosion d'ondes gravitationnelles générée par la fusion de deux trous noirs de masses de 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 existe d’autres effets gravitationnels plus subtils qui ont été testés expérimentalement à l’échelle du système solaire et qui 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 dans la physique ordinaire l'espace ne sert que d'arrière-plan, de conteneur pour les phénomènes physiques, alors dans le GTR, il devient lui-même un phénomène, une grandeur 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, la paire se rapprochera, tournant de plus en plus vite, déformant de plus en plus la métrique et générant des ondes gravitationnelles encore plus fortes - jusqu'à ce que, finalement, une restructuration radicale de l'ensemble du champ gravitationnel de cette paire se produise et que deux trous noirs fusionnent en un.
Une telle fusion de trous noirs est une explosion d'une puissance énorme, mais 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 Fig. 3. La période d'oscillation est déterminée par le mouvement orbital de 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 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 standard de mesure quantique - une limitation clé des mesures optiques - et a montré comment elles 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 qui utilisent plus d'un objet résonnant, mais qui suivent la distance entre deux corps non liés et suspendus indépendamment, par exemple 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 la longueur du bras est grande, 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 exactement 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 décalage est fort, plus la lumière que le capteur photo verra sera brillante.
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 non même d'un atome, mais de millièmes de 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).
Toute une liste de pays participent à la course aux ondes gravitationnelles ; 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 influencé le développement de projets réels (voir la revue historique de Physique de 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. Les physiciens soviétiques et russes ont joué un rôle important dans la mise en œuvre du projet. 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 désormais prêt à capter les sursauts générés par les étoiles à neutrons à une distance de 60 mégaparsecs, et les trous noirs - à une distance de plusieurs 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 le premier sursaut pouvait être attendu dès la première session d'observation de quatre mois. Si nous parlons de l'ensemble du projet aLIGO, qui a duré plusieurs années, alors le verdict était extrêmement clair : soit les sursauts tomberont les uns après les autres, soit quelque chose dans la relativité générale ne fonctionne fondamentalement pas. 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 d'assister à 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 ce n'est qu'aux toutes dernières étapes de l'analyse que « les cartes sont révélées » et que les membres de la collaboration découvrent s'il s'agit d'un événement réel ou d'un test de vigilance. D'ailleurs, dans un de ces cas en 2010, nous en sommes même arrivés au point d'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. Lorsqu’un problème scientifique complexe et inaccessible reste sans réponse pendant plusieurs années, il s’agit d’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 jettera une puissante éclaboussure dans une galaxie proche, mais en même temps, ils comprennent que, même si la nature n'est pas aussi favorable, elle ne pourra plus se cacher des scientifiques. . La seule question est de savoir quand exactement ils pourront atteindre leurs objectifs 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. La figure 7 montre le résultat principal : le profil du signal enregistré par les deux détecteurs. On peut voir que sur fond de bruit, une oscillation de la forme souhaitée apparaît d'abord faiblement, puis augmente en amplitude et en fréquence. La comparaison avec les résultats de simulations numériques nous a permis de savoir 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 mille 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. Un aperçu de l'état actuel des choses dans cette direction peut être trouvé dans la récente publication de S. Rosswog, 2015. Image multi-messager des fusions binaires compactes.
Troisièmement, enregistrer un sursaut provenant d'une supernova et le comparer avec des observations optiques permettra enfin de comprendre en détail ce qui se passe à l'intérieur, au tout début de l'effondrement. Aujourd'hui, les physiciens ont encore des difficultés avec la modélisation numérique de 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 existe une nouvelle opportunité de tester des théories exotiques de la gravité. Il existe déjà de nombreuses théories de ce type dans la physique moderne, voir, par exemple, le chapitre qui leur est consacré du livre populaire « Gravity » de A. N. Petrov. 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 la 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. Ainsi, d’ici quelques années, tout un réseau de détecteurs d’ondes gravitationnelles fonctionnera et enregistrera régulièrement les signaux (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 de haute énergie. 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 conduit à 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 issues 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.
Hier, le monde a été choqué par une sensation : les scientifiques ont enfin découvert les ondes gravitationnelles, dont Einstein avait prédit l'existence il y a cent ans. C'est une percée. La distorsion de l'espace-temps (ce sont des ondes gravitationnelles - nous allons maintenant expliquer de quoi il s'agit) a été découverte à l'observatoire LIGO, et l'un de ses fondateurs est - qui pensez-vous ? - Kip Thorne, auteur du livre.
Nous vous expliquons pourquoi la découverte des ondes gravitationnelles est si importante, ce que Mark Zuckerberg a dit et, bien sûr, partageons l'histoire à la première personne. Kip Thorne, comme personne d'autre, sait comment fonctionne le projet, ce qui le rend inhabituel et quelle importance LIGO a pour l'humanité. Oui, oui, tout est si sérieux.
Découverte des ondes gravitationnelles
Le monde scientifique se souviendra toujours de la date du 11 février 2016. Ce jour-là, les participants au projet LIGO annonçaient : après tant de vaines tentatives, les ondes gravitationnelles avaient été découvertes. C'est la réalité. En fait, ils ont été découverts un peu plus tôt : en septembre 2015, mais hier la découverte a été officiellement reconnue. Le Guardian estime que les scientifiques recevront certainement le prix Nobel de physique.
La cause des ondes gravitationnelles est la collision de deux trous noirs, qui s'est déjà produite... à un milliard d'années-lumière de la Terre. Pouvez-vous imaginer à quel point notre Univers est immense ! Les trous noirs étant des corps très massifs, ils envoient des ondulations dans l’espace-temps, le déformant légèrement. Ainsi apparaissent des vagues, semblables à celles qui se propagent à partir d'une pierre jetée à l'eau.
C'est ainsi que l'on peut imaginer des ondes gravitationnelles arrivant sur la Terre, par exemple depuis un trou de ver. Dessin tiré du livre « Interstellaire. La science dans les coulisses"
Les vibrations résultantes ont été converties en son. Il est intéressant de noter que le signal des ondes gravitationnelles arrive à peu près à la même fréquence que notre parole. Nous pouvons ainsi entendre de nos propres oreilles comment les trous noirs entrent en collision. Écoutez à quoi ressemblent les ondes gravitationnelles.
Et devinez quoi ? Plus récemment, les trous noirs ne sont pas structurés comme on le pensait auparavant. Mais rien ne prouve qu’ils existent en principe. Et maintenant, il y en a. Les trous noirs « vivent » réellement dans l’Univers.
Selon les scientifiques, c’est à cela que ressemble une catastrophe : une fusion de trous noirs.
Le 11 février a eu lieu une conférence grandiose, qui a réuni plus d'un millier de scientifiques de 15 pays. Des scientifiques russes étaient également présents. Et bien sûr, il y avait Kip Thorne. « Cette découverte est le début d'une quête étonnante et magnifique pour l'homme : la recherche et l'exploration du côté incurvé de l'Univers - des objets et des phénomènes créés à partir d'un espace-temps déformé. Les collisions de trous noirs et les ondes gravitationnelles sont nos premiers exemples remarquables », a déclaré Kip Thorne.
La recherche des ondes gravitationnelles constitue l’un des principaux problèmes de la physique. Maintenant, ils ont été retrouvés. Et le génie d'Einstein se confirme une nouvelle fois.
En octobre, nous avons interviewé Sergueï Popov, astrophysicien russe et célèbre vulgarisateur scientifique. On aurait dit qu'il regardait dans l'eau ! À l'automne : « Il me semble que nous sommes désormais au seuil de nouvelles découvertes, qui sont principalement associées aux travaux des détecteurs d'ondes gravitationnelles LIGO et VIRGO (Kip Thorne a apporté une contribution majeure à la création du projet LIGO) .» Incroyable, non ?
Ondes gravitationnelles, détecteurs d'ondes et LIGO
Eh bien, maintenant un peu de physique. Pour ceux qui veulent vraiment comprendre ce que sont les ondes gravitationnelles. Voici une représentation artistique des lignes tendues de deux trous noirs en orbite l'un autour de l'autre, dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, puis en collision. Les lignes Tendex génèrent la gravité des marées. Passons à autre chose. Les lignes, qui partent des deux points les plus éloignés l’un de l’autre sur la surface d’une paire de trous noirs, étirent tout sur leur passage, y compris l’ami de l’artiste sur le dessin. Les lignes émanant de la zone de collision compriment le tout.
Lorsque les trous tournent les uns autour des autres, ils entraînent leurs lignes tendues, qui ressemblent à des jets d'eau provenant d'un arroseur en rotation sur une pelouse. Sur la photo du livre « Interstellar. La science dans les coulisses" - une paire de trous noirs qui entrent en collision, tournant l'un autour de l'autre dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, ainsi que leurs lignes tendues.
Les trous noirs fusionnent en un seul grand trou ; il se déforme et tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, entraînant avec lui des lignes tendex. Un observateur stationnaire loin du trou ressentira des vibrations lorsque les lignes tendineuses le traverseront : étirement, puis compression, puis étirement - les lignes tendineuses sont devenues une onde gravitationnelle. À mesure que les ondes se propagent, la déformation du trou noir diminue progressivement et les ondes s'affaiblissent également.
Lorsque ces ondes atteignent la Terre, elles ressemblent à celle représentée en haut de la figure ci-dessous. Ils s'étirent dans un sens et se compriment dans l'autre. Les extensions et contractions fluctuent (du rouge droite-gauche, au bleu droite-gauche, au rouge droite-gauche, etc.) au fur et à mesure que les ondes traversent le détecteur situé en bas de la figure.
Ondes gravitationnelles traversant le détecteur LIGO.
Le détecteur se compose de quatre grands miroirs (40 kilogrammes et 34 centimètres de diamètre), fixés aux extrémités de deux tuyaux perpendiculaires, appelés bras de détection. Les lignes tendex des ondes gravitationnelles étirent un bras, tout en comprimant le second, puis, au contraire, compriment le premier et étirent le second. Et ainsi encore et encore. À mesure que la longueur des bras change périodiquement, les miroirs se déplacent les uns par rapport aux autres et ces mouvements sont suivis à l'aide de faisceaux laser selon une méthode appelée interférométrie. D’où le nom LIGO : Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.
Centre de contrôle LIGO, d'où ils envoient des commandes au détecteur et surveillent les signaux reçus. Les détecteurs de gravité de LIGO sont situés à Hanford, dans l'État de Washington, et à Livingston, en Louisiane. Photo tirée du livre « Interstellaire. La science dans les coulisses"
LIGO est désormais un projet international impliquant 900 scientifiques de différents pays, dont le siège est situé au California Institute of Technology.
Le côté incurvé de l'univers
Les trous noirs, les trous de ver, les singularités, les anomalies gravitationnelles et les dimensions d'ordre supérieur sont associés aux courbures de l'espace et du temps. C'est pourquoi Kip Thorne les appelle « le côté tordu de l'univers ». L’humanité dispose encore de très peu de données expérimentales et d’observation sur la face courbe de l’Univers. C’est pourquoi nous accordons autant d’attention aux ondes gravitationnelles : elles sont constituées d’un espace courbe et constituent le moyen le plus accessible pour explorer le côté courbe.
Imaginez si vous ne voyiez l'océan que lorsqu'il est calme. Vous ne connaissez rien aux courants, aux tourbillons et aux vagues de tempête. Cela n’est pas sans rappeler nos connaissances actuelles sur la courbure de l’espace et du temps.
Nous ne savons presque rien de la façon dont l'espace courbe et le temps courbe se comportent « en cas de tempête » - lorsque la forme de l'espace fluctue violemment et lorsque la vitesse du temps fluctue. Il s’agit d’une frontière de la connaissance incroyablement séduisante. Le scientifique John Wheeler a inventé le terme « géométrodynamique » pour désigner ces changements.
La collision de deux trous noirs est particulièrement intéressante dans le domaine de la géométrodynamique.
Collision de deux trous noirs non rotatifs. Modèle tiré du livre « Interstellar. La science dans les coulisses"
L'image ci-dessus montre le moment où deux trous noirs entrent en collision. Un tel événement a permis aux scientifiques d’enregistrer des ondes gravitationnelles. Ce modèle est conçu pour les trous noirs non rotatifs. En haut : orbites et ombres des trous, vues de notre Univers. Au milieu : espace et temps courbes, vue depuis la masse (hyperespace multidimensionnel) ; Les flèches montrent comment l'espace est impliqué dans le mouvement, et les couleurs changeantes montrent comment le temps est courbé. En bas : La forme des ondes gravitationnelles émises.
Ondes gravitationnelles du Big Bang
Passons à Kip Thorne. « En 1975, Leonid Grischuk, mon bon ami russe, a fait une déclaration sensationnelle. Il a dit qu'au moment du Big Bang, de nombreuses ondes gravitationnelles sont apparues et que le mécanisme de leur origine (jusqu'alors inconnu) était le suivant : fluctuations quantiques (fluctuations aléatoires – ndlr) Les champs gravitationnels au cours du Big Bang ont été considérablement améliorés par l’expansion initiale de l’Univers et sont ainsi devenus les ondes gravitationnelles originales. Ces ondes, si elles sont détectées, pourraient nous raconter ce qui s'est passé à la naissance de notre Univers."
Si les scientifiques trouvent les ondes gravitationnelles primordiales, nous saurons comment l’Univers a commencé.
Les gens ont résolu jusqu'à présent tous les mystères de l'Univers. Il y a plus à venir.
Au cours des années suivantes, à mesure que notre compréhension du Big Bang s'améliorait, il est devenu évident que ces ondes primordiales devaient être fortes à des longueurs d'onde proportionnelles à la taille de l'Univers visible, c'est-à-dire à des longueurs de plusieurs milliards d'années-lumière. Pouvez-vous imaginer combien cela représente ?.. Et aux longueurs d'onde couvertes par les détecteurs LIGO (des centaines et des milliers de kilomètres), les ondes seront probablement trop faibles pour être reconnues.
L'équipe de Jamie Bock a construit l'appareil BICEP2, grâce auquel la trace des ondes gravitationnelles originales a été découverte. L'appareil situé au pôle Nord est représenté ici au crépuscule, qui n'y apparaît que deux fois par an.
Appareil BICEP2. Image tirée du livre Interstellaire. La science dans les coulisses"
Il est entouré de boucliers qui protègent l’appareil des radiations de la couche de glace environnante. Dans le coin supérieur droit se trouve une trace découverte dans le rayonnement de fond cosmique des micro-ondes – un motif de polarisation. Les lignes de champ électrique sont dirigées le long de courts traits lumineux.
Trace du début de l'univers
Au début des années 90, les cosmologistes ont réalisé que ces ondes gravitationnelles, longues de plusieurs milliards d'années-lumière, devaient avoir laissé une trace unique dans les ondes électromagnétiques qui remplissent l'Univers - ce qu'on appelle le fond cosmique de micro-ondes, ou rayonnement de fond cosmique de micro-ondes. C’est ainsi qu’a commencé la recherche du Saint Graal. Après tout, si nous détectons cette trace et en déduisons les propriétés des ondes gravitationnelles originelles, nous pourrons découvrir comment l’Univers est né.
En mars 2014, alors que Kip Thorne écrivait ce livre, l'équipe de Jamie Bok, cosmologiste à Caltech dont le bureau est voisin de celui de Thorne, a finalement découvert cette trace dans le rayonnement cosmique du fond micro-onde.
C'est une découverte absolument étonnante, mais il y a un point controversé : la trace trouvée par l'équipe de Jamie pourrait avoir été provoquée par autre chose que des ondes gravitationnelles.
Si une trace des ondes gravitationnelles apparues lors du Big Bang est effectivement trouvée, cela signifie qu'une découverte cosmologique a eu lieu à un niveau qui se produit peut-être une fois tous les demi-siècles. Cela vous donne l’occasion de toucher aux événements qui se sont produits un billionième de billionième de billionième de seconde après la naissance de l’Univers.
Cette découverte confirme les théories selon lesquelles l'expansion de l'Univers à ce moment-là était extrêmement rapide, dans l'argot des cosmologistes - rapide inflationniste. Et annonce l’avènement d’une nouvelle ère dans la cosmologie.
Ondes gravitationnelles et interstellaires
Hier, lors d'une conférence sur la découverte des ondes gravitationnelles, Valery Mitrofanov, chef de la collaboration scientifique LIGO de Moscou, qui comprend 8 scientifiques de l'Université d'État de Moscou, a noté que l'intrigue du film « Interstellaire », bien que fantastique, n'est pas si fantastique. loin de la réalité. Et tout cela parce que Kip Thorne était le consultant scientifique. Thorne lui-même a exprimé l'espoir de croire aux futurs vols habités vers un trou noir. Ils ne se produiront peut-être pas aussi vite que nous le souhaiterions, mais aujourd’hui, ils sont bien plus réels qu’avant.
Le jour n’est pas très loin où les gens quitteront les confins de notre galaxie.
L’événement a ému l’esprit de millions de personnes. Le célèbre Mark Zuckerberg a écrit : « La découverte des ondes gravitationnelles est la plus grande découverte de la science moderne. Albert Einstein est l’un de mes héros, c’est pourquoi j’ai pris cette découverte si personnellement. Il y a un siècle, dans le cadre de la Théorie Générale de la Relativité (GTR), il prédisait l'existence d'ondes gravitationnelles. Mais ils sont si petits à détecter qu’on en est venu à les rechercher à l’origine d’événements tels que le Big Bang, les explosions stellaires et les collisions de trous noirs. Lorsque les scientifiques analyseront les données obtenues, une toute nouvelle vision de l’espace s’ouvrira devant nous. Et peut-être que cela fera la lumière sur l’origine de l’Univers, la naissance et le développement des trous noirs. Il est très inspirant de penser au nombre de vies et d’efforts consacrés à dévoiler ce mystère de l’Univers. Cette percée a été rendue possible grâce au talent de brillants scientifiques et ingénieurs, de personnes de différentes nationalités, ainsi qu'aux dernières technologies informatiques apparues récemment. Félicitations à toutes les personnes impliquées. Einstein serait fier de toi."
C'est le discours. Et c'est une personne qui s'intéresse simplement à la science. On peut imaginer quelle tempête d'émotions a submergé les scientifiques qui ont contribué à la découverte. Il semble que nous ayons assisté à une nouvelle ère, mes amis. C'est incroyable.
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Valentin Nikolaevich Rudenko partage l'histoire de sa visite dans la ville de Cascina (Italie), où il a passé une semaine sur "l'antenne gravitationnelle" alors récemment construite - l'interféromètre optique de Michelson. Sur le chemin vers la destination, le chauffeur de taxi demande pourquoi l'installation a été construite. « Les gens ici pensent que c’est pour parler à Dieu », admet le chauffeur.
– Que sont les ondes gravitationnelles ?
– L’onde gravitationnelle est l’un des « porteurs d’informations astrophysiques ». Il existe des canaux visibles d'informations astrophysiques ; les télescopes jouent un rôle particulier dans la « vision lointaine ». Les astronomes maîtrisent également les canaux basse fréquence - micro-ondes et infrarouge, et les canaux haute fréquence - rayons X et gamma. En plus du rayonnement électromagnétique, nous pouvons détecter des flux de particules provenant de l’espace. À cette fin, on utilise des télescopes à neutrinos - des détecteurs de grande taille de neutrinos cosmiques - des particules qui interagissent faiblement avec la matière et sont donc difficiles à enregistrer. Presque tous les types de « porteurs d'informations astrophysiques » théoriquement prédits et étudiés en laboratoire ont été maîtrisés de manière fiable dans la pratique. L’exception était la gravité – l’interaction la plus faible du microcosme et la force la plus puissante du macrocosme.
La gravité est une géométrie. Les ondes gravitationnelles sont des ondes géométriques, c'est-à-dire des ondes qui modifient les caractéristiques géométriques de l'espace lorsqu'elles traversent cet espace. En gros, ce sont des ondes qui déforment l’espace. La déformation est le changement relatif de la distance entre deux points. Le rayonnement gravitationnel diffère de tous les autres types de rayonnement précisément par son caractère géométrique.
– Einstein a-t-il prédit les ondes gravitationnelles ?
– Formellement, on pense que les ondes gravitationnelles ont été prédites par Einstein comme l’une des conséquences de sa théorie de la relativité générale, mais en fait leur existence devient déjà évidente dans la théorie de la relativité restreinte.
La théorie de la relativité suggère qu'en raison de l'attraction gravitationnelle, un effondrement gravitationnel est possible, c'est-à-dire la contraction d'un objet à la suite d'un effondrement, grosso modo, jusqu'à un certain point. Ensuite, la gravité est si forte que la lumière ne peut même pas s'en échapper, c'est pourquoi un tel objet est appelé au sens figuré un trou noir.
– Quelle est la particularité de l’interaction gravitationnelle ?
Une caractéristique de l'interaction gravitationnelle est le principe d'équivalence. Selon lui, la réponse dynamique d'un corps d'essai dans un champ gravitationnel ne dépend pas de la masse de ce corps. En termes simples, tous les corps tombent avec la même accélération.
L’interaction gravitationnelle est la plus faible que nous connaissions aujourd’hui.
– Qui a été le premier à tenter d’attraper une onde gravitationnelle ?
– L'expérience sur les ondes gravitationnelles a été menée pour la première fois par Joseph Weber de l'Université du Maryland (États-Unis). Il a créé un détecteur gravitationnel, aujourd'hui conservé au Smithsonian Museum de Washington. En 1968-1972, Joe Weber a mené une série d'observations sur une paire de détecteurs spatialement séparés, essayant d'isoler des cas de « coïncidences ». La technique des coïncidences est empruntée à la physique nucléaire. La faible signification statistique des signaux gravitationnels obtenus par Weber a provoqué une attitude critique à l'égard des résultats de l'expérience : il n'y avait aucune certitude que des ondes gravitationnelles aient été détectées. Par la suite, les scientifiques ont tenté d'augmenter la sensibilité des détecteurs de type Weber. Il a fallu 45 ans pour développer un détecteur dont la sensibilité soit adéquate aux prévisions astrophysiques.
Au début de l'expérience, de nombreuses autres expériences ont eu lieu avant la fixation ; des impulsions ont été enregistrées pendant cette période, mais leur intensité était trop faible.
– Pourquoi la fixation du signal n’a-t-elle pas été annoncée immédiatement ?
– Des ondes gravitationnelles ont été enregistrées en septembre 2015. Mais même si une coïncidence a été constatée, avant de l’annoncer, il faut prouver qu’elle n’est pas fortuite. Le signal provenant de n'importe quelle antenne contient toujours des salves de bruit (rafales à court terme), et l'une d'entre elles peut se produire accidentellement simultanément avec une salve de bruit sur une autre antenne. Il est possible de prouver que la coïncidence n'était pas accidentelle uniquement à l'aide d'estimations statistiques.
– Pourquoi les découvertes dans le domaine des ondes gravitationnelles sont-elles si importantes ?
– La capacité d’enregistrer le fond gravitationnel relique et de mesurer ses caractéristiques, telles que la densité, la température, etc., nous permet d’approcher le début de l’univers.
Ce qui est intéressant, c'est que le rayonnement gravitationnel est difficile à détecter car il interagit très faiblement avec la matière. Mais, grâce à cette même propriété, il passe sans absorption des objets les plus éloignés de nous aux propriétés les plus mystérieuses, au point de vue de la matière.
On peut dire que le rayonnement gravitationnel passe sans distorsion. L’objectif le plus ambitieux est d’étudier le rayonnement gravitationnel qui a été séparé de la matière primordiale dans la théorie du Big Bang, créée lors de la création de l’Univers.
– La découverte des ondes gravitationnelles exclut-elle la théorie quantique ?
La théorie de la gravité suppose l’existence d’un effondrement gravitationnel, c’est-à-dire la contraction d’objets massifs en un point. Dans le même temps, la théorie quantique développée par l'école de Copenhague suggère que, grâce au principe d'incertitude, il est impossible d'indiquer simultanément exactement des paramètres tels que les coordonnées, la vitesse et la quantité de mouvement d'un corps. Il y a ici un principe d'incertitude ; il est impossible de déterminer la trajectoire exacte, car la trajectoire est à la fois une coordonnée et une vitesse, etc. Il n'est possible de déterminer un certain couloir de confiance conditionnel que dans les limites de cette erreur, qui est associée avec les principes d’incertitude. La théorie quantique nie catégoriquement la possibilité d'objets ponctuels, mais les décrit de manière statistiquement probabiliste : elle n'indique pas spécifiquement les coordonnées, mais indique la probabilité qu'il ait certaines coordonnées.
La question de l’unification de la théorie quantique et de la théorie de la gravité est l’une des questions fondamentales de la création d’une théorie unifiée des champs.
Ils continuent d'y travailler maintenant, et les mots «gravité quantique» désignent un domaine scientifique complètement avancé, la frontière de la connaissance et de l'ignorance, où travaillent désormais tous les théoriciens du monde.
– Que peut apporter la découverte dans le futur ?
Les ondes gravitationnelles doivent inévitablement constituer le fondement de la science moderne en tant que composante de notre connaissance. Ils jouent un rôle important dans l’évolution de l’Univers et c’est à l’aide de ces ondes qu’il convient d’étudier l’Univers. La découverte contribue au développement général de la science et de la culture.
Si vous décidez d'aller au-delà du cadre de la science actuelle, il est alors permis d'imaginer des lignes de télécommunications gravitationnelles, des appareils à réaction utilisant un rayonnement gravitationnel, des appareils d'introscopie à ondes gravitationnelles.
– Les ondes gravitationnelles ont-elles quelque chose à voir avec la perception extrasensorielle et la télépathie ?
Ce n’est pas le cas. Les effets décrits sont les effets du monde quantique, les effets de l’optique.
Interviewé par Anna Utkina
Ondes gravitationnelles - rendu d'artiste
Les ondes gravitationnelles sont des perturbations de la métrique espace-temps qui se détachent de la source et se propagent comme des ondes (ce qu’on appelle les « ondulations espace-temps »).
En relativité générale et dans la plupart des autres théories modernes de la gravité, les ondes gravitationnelles sont générées par le mouvement de corps massifs à accélération variable. Les ondes gravitationnelles se propagent librement dans l'espace à la vitesse de la lumière. En raison de la relative faiblesse des forces gravitationnelles (par rapport aux autres), ces ondes ont une très petite ampleur, difficile à enregistrer.
Onde gravitationnelle polarisée
Les ondes gravitationnelles sont prédites par la théorie générale de la relativité (GR) et bien d’autres. Ils ont été détectés directement pour la première fois en septembre 2015 par deux détecteurs jumeaux, qui ont détecté des ondes gravitationnelles résultant probablement de la fusion de deux pour former un seul trou noir rotatif plus massif. Des preuves indirectes de leur existence sont connues depuis les années 1970 - la Relativité Générale prédit le taux de convergence de systèmes proches en raison de la perte d'énergie due à l'émission d'ondes gravitationnelles, qui coïncide avec les observations. L'enregistrement direct des ondes gravitationnelles et leur utilisation pour déterminer les paramètres des processus astrophysiques constituent une tâche importante de la physique et de l'astronomie modernes.
Dans le cadre de la relativité générale, les ondes gravitationnelles sont décrites par des solutions d'équations d'Einstein de type onde, qui représentent une perturbation de la métrique espace-temps se déplaçant à la vitesse de la lumière (dans l'approximation linéaire). La manifestation de cette perturbation devrait être, en particulier, une modification périodique de la distance entre deux masses d'essai en chute libre (c'est-à-dire non influencées par aucune force). Amplitude h l'onde gravitationnelle est une quantité sans dimension – un changement relatif de distance. Les amplitudes maximales prévues des ondes gravitationnelles provenant d'objets astrophysiques (par exemple, des systèmes binaires compacts) et de phénomènes (explosions, fusions, captures par des trous noirs, etc.) lorsqu'elles sont mesurées sont très faibles ( h=10 −18 -10 −23). Une onde gravitationnelle faible (linéaire), selon la théorie de la relativité générale, transfère de l'énergie et de la quantité de mouvement, se déplace à la vitesse de la lumière, est transversale, quadripôle et est décrite par deux composantes indépendantes situées à un angle de 45° l'une par rapport à l'autre ( a deux directions de polarisation).
Différentes théories prédisent différemment la vitesse de propagation des ondes gravitationnelles. En relativité générale, elle est égale à la vitesse de la lumière (en approximation linéaire). Dans d’autres théories de la gravité, elle peut prendre n’importe quelle valeur, y compris l’infini. D'après le premier enregistrement des ondes gravitationnelles, leur dispersion s'est avérée compatible avec un graviton sans masse, et leur vitesse a été estimée égale à la vitesse de la lumière.
Génération d'ondes gravitationnelles
Un système de deux étoiles à neutrons crée des ondulations dans l'espace-temps
Une onde gravitationnelle est émise par toute matière se déplaçant avec une accélération asymétrique. Pour qu’une onde d’amplitude significative se produise, il faut une masse extrêmement importante de l’émetteur et/ou d’énormes accélérations ; l’amplitude de l’onde gravitationnelle est directement proportionnelle ; dérivée première de l'accélération et la masse du générateur, soit ~ . Cependant, si un objet se déplace à une vitesse accélérée, cela signifie qu’une certaine force agit sur lui depuis un autre objet. À son tour, cet autre objet subit l’effet inverse (selon la 3ème loi de Newton), et il s’avère que m 1 un 1 = − m 2 un 2 . Il s'avère que deux objets n'émettent des ondes gravitationnelles que par paires et qu'en raison des interférences, elles s'annulent presque complètement. Par conséquent, le rayonnement gravitationnel dans la théorie générale de la relativité a toujours le caractère multipolaire d’un rayonnement au moins quadripolaire. De plus, pour les émetteurs non relativistes, dans l'expression de l'intensité du rayonnement, il existe un petit paramètre où est le rayon gravitationnel de l'émetteur, r- sa taille caractéristique, T- période caractéristique de mouvement, c- vitesse de la lumière dans le vide.
Les sources d’ondes gravitationnelles les plus puissantes sont :
- collision (masse géante, très petites accélérations),
- effondrement gravitationnel d'un système binaire d'objets compacts (accélérations colossales avec une masse assez importante). Un cas particulier et des plus intéressants est celui de la fusion d'étoiles à neutrons. Dans un tel système, la luminosité des ondes gravitationnelles est proche de la luminosité maximale de Planck possible dans la nature.
Ondes gravitationnelles émises par un système à deux corps
Deux corps se déplaçant sur des orbites circulaires autour d'un centre de masse commun
Deux corps liés gravitationnellement avec des masses m 1 et m 2, se déplaçant de manière non relativiste ( v << c) sur des orbites circulaires autour de leur centre de masse commun à distance r les uns des autres, émettent des ondes gravitationnelles de l'énergie suivante, en moyenne sur la période :
En conséquence, le système perd de l'énergie, ce qui conduit à la convergence des corps, c'est-à-dire à une diminution de la distance qui les sépare. Vitesse d'approche des corps :
Pour le système solaire, par exemple, le rayonnement gravitationnel le plus important est produit par le sous-système et. La puissance de ce rayonnement est d'environ 5 kilowatts. Ainsi, l'énergie perdue chaque année par le système solaire à cause du rayonnement gravitationnel est totalement négligeable par rapport à l'énergie cinétique caractéristique des corps.
Effondrement gravitationnel d'un système binaire
Toute étoile double, lorsque ses composants tournent autour d'un centre de masse commun, perd de l'énergie (comme on le suppose - en raison de l'émission d'ondes gravitationnelles) et finit par fusionner. Mais pour les étoiles doubles ordinaires, non compactes, ce processus prend très longtemps, beaucoup plus longtemps qu’aujourd’hui. Si un système binaire compact est constitué d’une paire d’étoiles à neutrons, de trous noirs ou d’une combinaison des deux, la fusion peut alors se produire en plusieurs millions d’années. Premièrement, les objets se rapprochent et leur période de révolution diminue. Puis, au stade final, une collision et un effondrement gravitationnel asymétrique se produisent. Ce processus dure une fraction de seconde et pendant ce temps, de l'énergie est perdue dans le rayonnement gravitationnel, qui, selon certaines estimations, représente plus de 50 % de la masse du système.
Solutions exactes de base des équations d'Einstein pour les ondes gravitationnelles
Ondes corporelles Bondi-Pirani-Robinson
Ces ondes sont décrites par une métrique de la forme . Si nous introduisons une variable et une fonction, alors à partir des équations de la relativité générale, nous obtenons l'équation
Métrique Takeno
a la forme , -les fonctions satisfont à la même équation.
Métrique de Rosen
Où satisfaire
Métrique de Perez
En même temps
Ondes cylindriques d'Einstein-Rosen
En coordonnées cylindriques, ces ondes ont la forme et sont exécutées
Enregistrement des ondes gravitationnelles
L'enregistrement des ondes gravitationnelles est assez difficile en raison de la faiblesse de ces dernières (petite distorsion de la métrique). Les appareils permettant de les enregistrer sont des détecteurs d'ondes gravitationnelles. Des tentatives pour détecter les ondes gravitationnelles ont été faites depuis la fin des années 1960. Des ondes gravitationnelles d'amplitude détectable naissent lors de l'effondrement d'un binaire. Des événements similaires se produisent dans les environs environ une fois par décennie.
D'autre part, la théorie de la relativité générale prédit l'accélération de la rotation mutuelle des étoiles binaires en raison de la perte d'énergie due à l'émission d'ondes gravitationnelles, et cet effet est enregistré de manière fiable dans plusieurs systèmes connus d'objets compacts binaires (en notamment les pulsars avec des compagnons compacts). En 1993, « pour la découverte d'un nouveau type de pulsar, qui a offert de nouvelles opportunités dans l'étude de la gravité » aux découvreurs du premier double pulsar PSR B1913+16, Russell Hulse et Joseph Taylor Jr. a reçu le prix Nobel de physique. L'accélération de rotation observée dans ce système coïncide complètement avec les prédictions de la relativité générale pour l'émission d'ondes gravitationnelles. Le même phénomène a été enregistré dans plusieurs autres cas : pour les pulsars PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (généralement abrégé J0651) et le système de RX binaire J0806. Par exemple, la distance entre les deux composantes A et B de la première étoile binaire des deux pulsars PSR J0737-3039 diminue d'environ 2,5 pouces (6,35 cm) par jour en raison de la perte d'énergie due aux ondes gravitationnelles, et cela se produit en accord avec relativité générale. Toutes ces données sont interprétées comme une confirmation indirecte de l'existence d'ondes gravitationnelles.
Selon les estimations, les sources d'ondes gravitationnelles les plus fortes et les plus fréquentes pour les télescopes et antennes gravitationnelles sont les catastrophes associées à l'effondrement des systèmes binaires dans les galaxies proches. On s'attend à ce que dans un avenir proche, plusieurs événements similaires soient enregistrés chaque année sur des détecteurs gravitationnels améliorés, faussant la métrique à proximité de 10 −21 -10 −23 . Les premières observations d'un signal de résonance paramétrique opto-métrique, qui permet de détecter l'effet des ondes gravitationnelles issues de sources périodiques comme un binaire proche sur le rayonnement des masers cosmiques, pourraient avoir été obtenues à l'observatoire radioastronomique de la Russie. Académie des sciences, Pouchtchino.
Une autre possibilité de détecter le fond des ondes gravitationnelles remplissant l'Univers est la synchronisation de haute précision des pulsars distants - analyse de l'heure d'arrivée de leurs impulsions, qui change de manière caractéristique sous l'influence des ondes gravitationnelles traversant l'espace entre la Terre et le pulsar. Les estimations pour 2013 indiquent que la précision du timing doit être améliorée d'environ un ordre de grandeur pour détecter les ondes de fond provenant de sources multiples dans notre Univers, une tâche qui pourrait être accomplie avant la fin de la décennie.
Selon les concepts modernes, notre Univers est rempli d'ondes gravitationnelles reliques qui sont apparues dans les premiers instants qui ont suivi. Leur enregistrement permettra d'obtenir des informations sur les processus au début de la naissance de l'Univers. Le 17 mars 2014 à 20h00 heure de Moscou au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, un groupe de chercheurs américains travaillant sur le projet BICEP 2 a annoncé la détection de perturbations tensorielles non nulles dans l'Univers primitif par la polarisation de l'espace cosmique. rayonnement de fond micro-ondes, qui est aussi la découverte de ces ondes gravitationnelles reliques. Cependant, ce résultat a été presque immédiatement contesté, car il s’est avéré que la contribution n’avait pas été correctement prise en compte. L'un des auteurs, J. M. Kovats ( Kovac J. M.), a admis que « les participants et les journalistes scientifiques ont été un peu hâtifs dans l’interprétation et la communication des données de l’expérience BICEP2 ».
Confirmation expérimentale de l'existence
Le premier signal d’onde gravitationnelle enregistré. À gauche se trouvent les données du détecteur de Hanford (H1), à droite - à Livingston (L1). Le temps est compté à partir du 14 septembre 2015, 09:50:45 UTC. Pour visualiser le signal, il est filtré par un filtre de fréquence avec une bande passante de 35 à 350 Hertz pour supprimer les grandes fluctuations en dehors de la plage de sensibilité élevée des détecteurs ; des filtres coupe-bande ont également été utilisés pour supprimer le bruit des installations elles-mêmes. Rangée du haut : tensions h dans les détecteurs. GW150914 est arrivé pour la première fois à L1 et 6 9 +0 5 −0 4 ms plus tard à H1 ; À des fins de comparaison visuelle, les données de H1 sont affichées dans le tracé L1 sous forme inversée et décalée dans le temps (pour tenir compte de l'orientation relative des détecteurs). Deuxième rangée : tensions h du signal d’onde gravitationnelle, passées à travers le même filtre passe-bande 35-350 Hz. La ligne continue est le résultat de la relativité numérique pour un système avec des paramètres compatibles avec ceux trouvés sur la base de l'étude du signal GW150914, obtenus par deux codes indépendants avec une correspondance résultante de 99,9. Les lignes grises épaisses représentent les régions de confiance à 90 % de la forme d'onde reconstruite à partir des données du détecteur par deux méthodes différentes. La ligne gris foncé modélise les signaux attendus de la fusion des trous noirs, la ligne gris clair n'utilise pas de modèles astrophysiques, mais représente le signal comme une combinaison linéaire d'ondelettes sinusoïdales-gaussiennes. Les reconstructions se chevauchent à 94%. Troisième ligne : Erreurs résiduelles après extraction de la prédiction filtrée du signal de relativité numérique du signal filtré des détecteurs. Rangée du bas : représentation cartographique de fréquence des tensions, montrant l'augmentation de la fréquence dominante du signal au fil du temps.
11 février 2016 par les collaborations LIGO et VIRGO. Un signal de fusion de deux trous noirs d'une amplitude maximale d'environ 10 −21 a été enregistré le 14 septembre 2015 à 9h51 UTC par deux détecteurs LIGO à Hanford et Livingston, à 7 millisecondes d'intervalle, dans la région de l'amplitude maximale du signal ( 0,2 seconde) combiné, le rapport signal/bruit était de 24:1. Le signal était désigné GW150914. La forme du signal correspond à la prédiction de la relativité générale pour la fusion de deux trous noirs de masses de 36 et 29 masses solaires ; le trou noir résultant devrait avoir une masse de 62 solaires et un paramètre de rotation un= 0,67. La distance à la source est d'environ 1,3 milliard, l'énergie émise en dixièmes de seconde lors de la fusion équivaut à environ 3 masses solaires.
Histoire
L'histoire du terme « onde gravitationnelle » lui-même, la recherche théorique et expérimentale de ces ondes, ainsi que leur utilisation pour étudier des phénomènes inaccessibles à d'autres méthodes.
- 1900 - Lorentz suggère que la gravité « ... peut se propager à une vitesse ne dépassant pas celle de la lumière » ;
- 1905 - Poincaré a introduit pour la première fois le terme onde gravitationnelle (onde gravifique). Poincaré, sur le plan qualitatif, a levé les objections établies de Laplace et a montré que les corrections associées aux ondes gravitationnelles aux lois newtoniennes généralement acceptées de la gravité d'ordre s'annulent, ainsi l'hypothèse de l'existence d'ondes gravitationnelles ne contredit pas les observations ;
- 1916 - Einstein a montré que, dans le cadre de la relativité générale, un système mécanique transférera de l'énergie aux ondes gravitationnelles et, grosso modo, toute rotation par rapport aux étoiles fixes devrait s'arrêter tôt ou tard, même si, bien sûr, dans des conditions normales, des pertes d'énergie de l'ordre de grandeur sont négligeables et pratiquement non mesurables (dans Dans ce travail, il croyait également à tort qu'un système mécanique qui maintient constamment une symétrie sphérique peut émettre des ondes gravitationnelles) ;
- 1918 -Einstein dérivé une formule quadripolaire dans laquelle l'émission d'ondes gravitationnelles s'avère être un effet d'ordre , corrigeant ainsi l'erreur de ses travaux précédents (une erreur est restée dans le coefficient, l'énergie des vagues est 2 fois moindre) ;
- 1923 - Eddington - remet en question la réalité physique des ondes gravitationnelles "... se propageant... à la vitesse de la pensée". En 1934, lors de la préparation de la traduction russe de sa monographie « La Théorie de la Relativité », Eddington ajouta plusieurs chapitres, dont des chapitres comportant deux options pour calculer les pertes d'énergie d'une tige en rotation, mais nota que les méthodes utilisées pour les calculs approximatifs de la relativité générale, à son avis, ne sont pas applicables aux systèmes liés gravitationnellement, donc des doutes demeurent ;
- 1937 - Einstein et Rosen étudient les solutions des ondes cylindriques aux équations exactes du champ gravitationnel. Au cours de ces études, ils ont commencé à douter que les ondes gravitationnelles puissent être un artefact de solutions approximatives des équations de la relativité générale (on connaît une correspondance concernant une révision de l'article « Les ondes gravitationnelles existent-elles ? » d'Einstein et Rosen). Plus tard, il a trouvé une erreur dans son raisonnement ; la version finale de l'article avec des changements fondamentaux a été publiée dans le Journal of the Franklin Institute ;
- 1957 - Herman Bondi et Richard Feynman proposent l'expérience de pensée « roseau avec perles » dans laquelle ils prouvent l'existence des conséquences physiques des ondes gravitationnelles en relativité générale ;
- 1962 - Vladislav Pustovoit et Mikhail Herzenstein ont décrit les principes d'utilisation d'interféromètres pour détecter les ondes gravitationnelles à ondes longues ;
- 1964 - Philip Peters et John Matthew décrivent théoriquement les ondes gravitationnelles émises par les systèmes binaires ;
- 1969 - Joseph Weber, fondateur de l'astronomie des ondes gravitationnelles, rapporte la détection d'ondes gravitationnelles à l'aide d'un détecteur résonant - une antenne gravitationnelle mécanique. Ces rapports donnent lieu à une croissance rapide des travaux dans ce sens, notamment Rainier Weiss, l'un des fondateurs du projet LIGO, a commencé des expériences à cette époque. À ce jour (2015), personne n’a pu obtenir une confirmation fiable de ces événements ;
- 1978 - Joseph Taylor a rapporté la détection d'un rayonnement gravitationnel dans le système pulsar binaire PSR B1913+16. Les recherches de Joseph Taylor et Russell Hulse leur ont valu le prix Nobel de physique en 1993. Début 2015, trois paramètres post-képlériens, dont la réduction de période due à l'émission d'ondes gravitationnelles, avaient été mesurés pour au moins 8 de ces systèmes ;
- 2002 - Sergey Kopeikin et Edward Fomalont ont utilisé l'interférométrie des ondes radio à base ultra longue pour mesurer la déviation de la lumière dans le champ gravitationnel de Jupiter en dynamique, ce qui pour une certaine classe d'extensions hypothétiques de la relativité générale permet d'estimer la vitesse de gravité - la différence avec la vitesse de la lumière ne doit pas dépasser 20 % (cette interprétation n'est généralement pas acceptée) ;
- 2006 - l'équipe internationale de Martha Bourgay (Observatoire Parkes, Australie) a rapporté une confirmation beaucoup plus précise de la relativité générale et de sa correspondance avec l'ampleur du rayonnement des ondes gravitationnelles dans le système de deux pulsars PSR J0737-3039A/B ;
- 2014 - Des astronomes du Centre d'astrophysique Harvard-Smithsonian (BICEP) ont signalé la détection d'ondes gravitationnelles primordiales lors de la mesure des fluctuations du rayonnement de fond cosmique des micro-ondes. Pour le moment (2016), les fluctuations détectées ne sont pas considérées comme d'origine relique, mais s'expliquent par l'émission de poussières dans la Galaxie ;
- 2016 - équipe internationale LIGO a signalé la détection de l'événement de transit d'ondes gravitationnelles GW150914. Pour la première fois, observation directe de corps massifs en interaction dans des champs gravitationnels ultra-forts avec des vitesses relatives ultra-élevées (< 1,2 × R s , v/c >0.5), qui a permis de vérifier l’exactitude de la relativité générale avec une précision de plusieurs termes post-newtoniens d’ordres élevés. La dispersion mesurée des ondes gravitationnelles ne contredit pas les mesures antérieures de la dispersion et de la limite supérieure de la masse d'un graviton hypothétique (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.
