Mise à jour : 20 Mai 2023

CONFÉRENCE de David SMITH

Physicien des particules, Centre Études Nucléaire de Bordeaux
 « CAPTER LES OG AVEC DES PULSARS »

Organisée par la SAF

En direct du siège et par téléconférence

Le Samedi 13 Mai 2023 à 15H00

À l'occasion de la réunion de la Commission de Cosmologie

Photos : JPM pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)

Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos et des animations.

Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation, elle est disponible sur ma liaison ftp et se nomme :

GammaPTA_SAF_April2023.pptx, qui se trouve dans le dossier COSMOLOGIE-SAF/ saison 2022-2023.

Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.

Elle est aussi sur le site de la commission.

Les actualités présentées sont ici.

La vidéo se trouve ICI. Dans quelques jours, le temps d’effectuer le montage.

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Les enregistrements des commissions cosmologie sont sur le site de la SAF/Cosmologie à l’adresse suivante :

https://www.youtube.com/playlist?list=PL78ug7UrzPF1GW7iMV42mAx34bmlk8HxD

Nous étions 0 dans la salle et 40 sur zoom.

Une inondation s’est produite au siège de la SAF, faisant sauter l’électricité, il nous a donc été impossible de tenir notre réunion là-bas. J’ai dû au dernier moment annuler et remplacer par une réunion à distance Zoom. Merci de votre compréhension

David Smith est originaire de Berkeley, en Californie. Il a effectué sa thèse au Fermilab, où il a travaillé 10 ans. Ensuite l’Institut national de physique nucléaire à Pise, où il fait ses premiers pas dans l’astronomie.

Il est représentant en France du télescope spatial gamma Fermi.

David Smith mène actuellement des travaux sur les pulsars, qui sont des étoiles très denses (aussi lourdes que le soleil, mais pas plus grandes que Bordeaux métropole), tournant comme des toupies et émettant des faisceaux. 

À l’image d’un phare marin, à chaque fois qu’ils balaient la Terre, on voit une pulsation. Il observe :

Les pulsars en rayons gamma, au moyen du télescope spatial Fermi,

Et en ondes radio, depuis le télescope terrestre de Nançay, en Sologne

Photo : DS

La conférence débute par cet article de Science  publié par la collaboration Fermi :

Contrainte du fond d’ondes gravitationnelles nHz par la chronométrie en rayons gamma d’un réseau de pulsars

Rappel de ce qu’est un pulsar.

C’est une étoile à neutrons en rotation.

Une supernova démarre quand le cœur d’une étoile massive se transforme en neutrons.

~ 26 km de diamètre, ~1.4 masses solaires, 1.6 ms à 10 s par rotation, Champ magnétique intense

Les étoiles massives, suivant leurs masses vont terminer leurs vies en étoiles à neutrons ou en trous noirs.

Meilleur exemple d’étoile à neutrons : le Crabe (M1).

Ces ‘dynamos cosmiques’ rayonnent des faisceaux.  Des TeV émis.

Pulsations : comme un phare marin, ou un gyrophare.

Voir cette illustration gif.

Ces pulsars émettent en X et en gamma.

Certains pulsars ne peuvent n’émettre que de l’ordre de 1 photon gamma par mois !!

Mais la particularité des pulsars est l’extrême exactitude de leur horloge naturelle, du même ordre de grandeur que les meilleures horloges atomiques terrestres.

Les faisceaux qu'émettent certaines étoiles à neutrons balaient la Terre de façon prévisible à mieux d'une microseconde.

Les temps d'arrivée des pulsations sont légèrement perturbées quand des ondes gravitationnelles traversent la Terre et/ou le pulsar.

Des radio télescopes mesurent, et le télescope spatial de rayons gamma Fermi contraint, les déformations d'espace-temps induites par des paires de trous noirs supermassifs au cœur de galaxies lointaines.

D’où l’idée de se servir des pulsars pour détecter les ondes gravitationnelles (OG).

Rappel sur les OG.

D’après mes dernières notes :

Les ondes gravitationnelles (OG) sont des perturbations dans la courbure de l'espace-temps (ET).

Elles traduisent la dynamique de l'espace-temps et sont dues à l'accélération de la matière, elles se propagent à la vitesse de la lumière.

Il y a une différence avec les ondes électromagnétiques qui sont des perturbations du champ électromagnétique qui se propagent DANS l'espace-temps, alors que les OG sont des ondes DE l'espace-temps lui-même.

Ce sont un peu comme les vagues à la surface d’un étang.

Elles interagissent très peu avec la matière et de ce fait peuvent nous parvenir de régions très denses et très lointaines de l'Univers. Du fait de la faible interaction elles sont difficiles à détecter.

Elles sont produites suite à l’action d’évènements très violents comme des trous noirs, des étoiles à neutrons etc..

Voir cette animation.

Effets dus au passage d'une OG :

Il se produit des variations de longueur dues au passage de cette OG; mais elles sont infiniment petites :

L'amplitude de cette OG est de 10^-21!!!!! Il y a à la fois contraction et élongation comme on le voit sur cette animation tirée de Einstein on-line.

Ces vibrations de l’espace-temps ont été prédites par la Relativité Générale d’Einstein, il y a 100 ans.

En Juin 1916, Einstein prédisait les OG mais pensait qu’elles seraient impossibles à détecter.

Comment produire des OG : Deux objets lourds et denses qui tournent l’un autour de l’autre. Très lourds, très denses

Les premières OG sont découvertes en 2015.

Cela a valu le Prix Nobel de Physique 2017 à : B Barish, K. Thorn et R. Weiss.

Les interféromètres Virgo, Ligo etc sont sensibles aux ondes gravitationnelles ayant des fréquences du Hz au kHz.

= Fréquences orbitales de paires de trous noirs ayant qqs dizaines de masses solaires

Mais nous, on va s’intéresser aux nHz, c’est-à-dire à la partie gauche du graphe.

PTA = Pulsar Timing Array soit chronométrie de réseaux de pulsars.

Ce peut être en radio ou en gamma.

EPTA = European PTA. Nançay est un des meilleurs détecteurs de pulsars terrestres.

Graphique : Nature Astronomy.

Les PTA visent à caractériser la population de trous noirs supermassifs (SMBH) aux cœurs de galaxies lointaines, en mesurant le spectre et distribution spatiale des ondes gravitationnelles, de 10^-7 à 10^-9 Hz, qu’émettent les SMBH binaires.

Cela nous informe sur l’évolution des galaxies dans l’Univers jeune.

La facteur h est l’étirement (en anglais strain) ou la magnitude de la déformation de l’espace-temps.

A est le « gravity wave background”.

Yr est en années.

MSP = Milliseconds Pulsars. Ce sont ceux-là qui nous intéressent, ils sont super stables.

Certains pulsars sont les horloges naturelles les plus fiables connues : leur précision est à mieux que la µS, des mois à l’avance.

Or, le « bruit » d’ondes gravitationnelles les fait bouger ; et fait bouger la Terre. ç.à.d., les tops se retardent et s’avancent. Avec l’âge aussi un pulsar ralentit, car il a dépensé de l’énergie.

C’est le télescope spatial gamma Fermi avec son LAT (Large Area Telescope) qui est capable de mesurer toutes ces fréquences.

On rappelle que Fermi contient 1500 kg de Iodure de Sodium pour détecter les gamma.

Fermi cherche les OG alors que personne ne le faisait avant !

Personne n’imaginait que Fermi, télescope gamma pouvait chercher des OG !!

En conclusion de David qui est passionné par Fermi : Fermi for ever !!!!

POUR ALLER PLUS LOIN :

Première détection directe des ondes gravitationnelles par Nicolas Arnaud du LAL et d’IN2P3

Ondes Gravitationnelles : Ligo et Virgo en pleine action.

FERMI-LAT observations of the ligo event GW150914

Fermi/Glast :.Plus de détails sur les Pulsars

Fermi/GLAST : Il a compté le nombre de photons de l’Univers ! 

PROCHAINE RÉUNION COSMOLOGIE : Samedi 30 SEPTEMBRE 2023 15H AU SIÈGE

G. LECONTE-CHEVILLARD   Dr en philosophie des sciences Obs de Paris

Il nous parle de

HISTOIRE D’UNE SCIENCE IMPOSSIBLE : LA COSMOLOGIE

Comment une connaissance scientifique de l’Univers, ce système physique si particulier qui englobe tous les autres systèmes physiques, est-elle possible ?

Quel type de science est la cosmologie ? Une science formelle, observationnelle, expérimentale, voire historique ?

Dans cet exposé, il reviendra sur plusieurs des controverses qui ont émaillé l’histoire de la cosmologie relativiste

PROCHAINE CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF :

Prochaine conférence SAF. : le 14 Juin : avec Audrey Coutens IRAP sur
« LA CHIMIE DE LA RÉGION DE LA FORMATION DES ÉTOILES »      

Réservation comme d’habitude ou à la SAF directement.

Transmission en direct sur le canal YouTube de la SAF : https://www.youtube.com/channel/UCD6H5ugytjb0FM9CGLUn0Xw/feautured

Les conférences seront retransmises en direct sur YouTube.

Bon ciel à tous

Jean Pierre Martin   Président de la commission de cosmologie de la SAF

www.planetastronomy.com

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