Un peu d’archéologie cosmique à l’aide d’ondes gravitationnelles
It is time for something in French today. I adapted this older article of mine, where I discuss things that can be done with gravitational waves on the basis of this scientific article from November 2017.
Donc voilà, aujourd’hui c’est l’heure d’écrire en français et je vais discuter d’ondes gravitationnelles et de choses que l’on peut faire avec, comme décrit par exemple dans cet article de novembre dernier.
[image credits: LIGO]
Pour le titre de ce post, et bien…
De façon amusante, l’archéologie cosmique est juste une façon un petit peu clickbait d’indiquer que l’on va s’intéresser à l’univers primordial.
De la même façon que l’archéologie s’intéresse à l’histoire ancienne de la race humaine, l’archéologie cosmique se concentre sur les premiers instants de l’univers.
Facile non? :)
Parmi tous les outils utilisé en archéologique cosmique, il y en a un tout neuf: les ondes gravitationnelles récemment observées. Et c’est de ça que je vais parler.
LES ONDES GRAVITATIONNELLES EN 3 MOTS
Commençons par discuter de ce qu’est une onde gravitationnelle. Le plus simple est de faire une analogie.
[image credits: Wikipedia]
On peut imaginer le calme plat sur un lac. Ensuite, on arrive avec un gros caillou et on le lance dans l’eau. Bam…
Le choc va créer une série d’ondelettes qui vont se propager depuis le point où le caillou a touché l’eau, comme sur l’image à droite.
Lors de leur propagation, les ondes vont alors modifier localement le niveau de l’eau.
Dans le cadre des ondes gravitationnelles, c’est presque pareil. On part d’un événement catastrophique dans l’univers (notre caillou touchant l’eau). Ce dernier va alors générer une série d’ondes qui vont se propager dans l’espace-temps, sur de grandes distances, et modifier sa structure localement.
Voilà, vous savez tout (ou presque) ! :)
Les ondes gravitationnelles consistent en une prédictions de la théorie de la relativité générale proposée par Einstein au début du 20ème siècle.
La confirmation de cette prédiction eut lieu exactement 100 ans plus tard, c’est-à-dire l’an dernier. Les collaborations LIGO et Virgo ont observé des événements qui ont été interprétés comme la détection des ondes gravitationnelles résultant de la fusion de trous noirs de d’étoiles à neutrons.
LA DETECTION D’ONDES GRAVITATIONNELLES: UN DEFI DE TAILLE
[image credits: Wikipedia]
Afin d’avoir des ondes gravitationnelles observables, il faut partir d’un événement catastrophique dans l’univers. Et il n’y en a pas 500 de possible.
Il faut des objets interagissant de façon très forte sous l’action de la gravité. Sinon, les ondes seront juste non détectables (et notre histoire s’arrêterait ici).
Mais nous sommes sauvés par la présence d’objets supermassifs comme des trous noirs ou des étoiles à neutrons.
Seulement, même dans ces cas-là, les ondes générées sont minuscules. Lorsque deux énormes trous noirs fusionnent, on parle de variation de la structure de l’espace-temps qui sont de 10-19m.
C’est à-dire 0.0000000000000000001 mètre. Et il faut mesurer cela. Une règle ne suffit donc pas… Tout un défi! Grâce à l’interférométrie, les expériences LIGO et Virgo ont cependant réussi à relever ce défi!
Plusieurs événements ayant eu lieu il y a fort longtemps et à des endroits fort éloignés de chez nous ont ainsi été détectés. Bien sûr, on a du patienter tranquillement après ces événements afin de laisser le temps aux ondes de se propager à la vitesse de la lumière… L’éternelle question du voyage dans l’espace non ? :)
DETECTION DES ONDES GRAVITATIONNELLES - LES BASES
Comme indiqué ci-dessus, la détection des ondes gravitationnelles se base sur l’interférométrie et des appareillages expérimentaux comme LIGO (l’un de ses deux détecteurs est illustré ci-dessous) ou Virgo (son compagnon européen).
[image credits: LIGO]
Chaque détecteur d’ondes gravitationnelles est fait de deux bras (voir l’image) dans lesquels circule un laser, bien à l’abri de toute perturbation extérieure afin d’avoir les mesures les plus propres possibles.
Pour cette même volonté de réduction du bruit extérieur, les détecteurs sont placés dans des zones éloignées de toute activité humaine.
N’oublions pas qu’on essaie de mesurer un déplacement minuscule de 0.0000000000000000001 mètre.
Mais comment être sûr que nous avons affaire à une onde gravitationnelle et pas à l’un de mes voisins en train de tondre sa pelouse? Et bien, il suffit d’avoir plusieurs détecteurs bien éloignés les uns des autres et de vérifier que le même signal est enregistré dans chacun d’entre eux.
Coordination est le mot clé. Comme les ondes gravitationnelles voyagent à la vitesse de la lumière, on devrait effectivement avoir une détection simultanée à l’échelle terrestre.
DETECTION DES ONDES GRAVITATIONNELLES - EN PRATIQUE
Le principe sous-jacent à la détection des ondes gravitationnelles est assez facile à comprendre à partir de l’image ci-dessous. La ligne rouge décrit le chemin parcouru par le laser circulant dans les bras du détecteur. La source du laser est indiquée par les lettres LD.
[image credits: Wikipedia]
Notre laser commence par arriver à un séparateur de faisceau (la grosse ligne diagonale au milieu de la figure). Et du coup, hop nous avons deux faisceaux issus d’un faisceau unique. Chacun de ces faisceaux va alors circuler dans un bras du détecteur.
L’un des faisceaux ira droit dans un miroir cible, tandis que l’autre est dévié vers un miroir de référence. On calibre le tout pour que les deux faisceaux voyagent exactement sur la même distance.
Lorsque chacun des faisceaux arrive à son miroir respectif, il est réfléchi et retourne vers le séparateur. Cette fois, ce dernier permet de fusionner les deux faisceaux en un faisceau unique qui est redirigé vers un détecteur (les lettres PD sur l’image).
Dans le cas où nos deux faisceaux ont voyagé sur la même distance, le détecteur enregistrera un point unique. Comme lorsqu’on pointe le mur ou le sol avec un faisceau laser.
Par contre, dans le cas où une onde gravitationnelle passe par là, les faisceaux voyageront sur des distances légèrement différentes. Les conséquences sont énormes. A la place du point, le détecteur enregistrera un pattern d’interférences, c’est-à-dire une succession plus ou moins étalée de régions sombres et claires.
A partir de cela, on peut dériver les propriétés de la modification initiale avec une précision incroyable, et mesurer des variations de l’espace-temps de 0.0000000000000000001 mètre.
Bon dans la vraie vie, c’est légèrement plus complexe. Mais le principe clé est bien celui ci-dessus.
ET L’ARCHEOLOGIE COSMIQUE DANS TOUT CA?
Les fusions de trous noirs et d’étoiles à neutrons ne sont pas les seuls événement donnant lieu à des ondes gravitationnelles.
[image credits: Cambridge
Les ondes gravitationnelles peuvent être utilisées comme outils permettant de sonder la physique de l’univers primordial.
Car selon les différents scénarios possibles, il est prédit que de nombreux événements peuvent avoir donné lieu à une production d’ondes gravitationnelles durant les premiers instants de l’univers.
On pourrait ainsi par exemple en apprendre plus sur l’inflation ou les modèles de cordes cosmiques.
Grâce aux données attendues dans les futures expériences, on espère pouvoir commencer à explorer les différents modèles, contraindre ceux qui seraient plutôt plausibles et exclure ceux qui sembleraient plutôt foireux.
Bref, un futur excitant!
STEEMSTEM
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Super article comme d'habitude !
Je me demandais si il était possible de localiser l'endroit où s'est produit le phénomène qui a produit les ondes gravitationnelles avec seulement 2 capteurs et un espacement aussi "faible" ou si il fallait plus d'observations pour déterminer où elles ont été produites.
PS : J'ai eu un peu de mal à trouver le lien cette fois ^^
Pour la localisation, c'est ou Virgo entre en jeu. On a les deux detecteurs de LIGO plus le troisieme detecteur de Virgo, et on arrive a tres tres bien localiser l'origine de l'onde. C'est de la triangularisation, en gros ;)
Ok, je n'avais pas vu que LIGO en ont deux :)
J'ai vu dans un expose la localisation d'un evenement d'ondes gravitationnelles avec et sans virgo (je pense qu'il s'agissait de celui des etoiles a neutrons). C'est impressionnant. Je n'arrive cependant plus a remettre la main sur le talk... :/
Good strategy...
I have a long-shot (probably pointless) amateur question.
Recently we had some posts devoted to clouds that behave as the solitons. So I've just googled "gravitational soliton" and ok, there is something.
Now my long-shot stupidity: is there a possibility to find some really strange phenomena related to soliton waves, like standing breathers, or something even more strange?
Great question! I however don't know...
I found this but this is maybe not what you have in mind. We also have soliton solutions to the equations of Einstein, and possibly this could be interesting. This second one seems to potentially answer your question :)
I may read those papers later next week and we can rediscuss, if you want.
Thank you for the great "morning coffee literature"
Spoiler Alert for those who like to be stunned while reading the papers
The first paper was friendly for non-physics people. Different objects are producing solitons of different compactness. Nice to know, although I haven't understood why are they asymmetrical.
The second one had a mindblowing sentence:
I guess that this is the answer to my question
There may be other papers. Will continue looking, but not now (waiting for boarding a flight, which is not that practical ;) ).
Hello @lemouth , thanks for this information, but could this gravitational wave's be related to the big bang theory? . Sorry if my question is not relevant, but that's the best event i can relate with this post. Thanks
Hi!
The gravitational waves that we have found so far are not related to the big bang. However, some of them are supposed to have been emitted from the big bang. There is just no sign of them (yet?). We thought having found them 3-4 years ago (BICEP2), but this was a data analysis failure at the end of the day. So maybe in a close future :)
Humm thanks alot for the response.
You are very welcome!
A slightly off topic question: Have you ever heard of Joao Magueijo and the theory that light was faster in the early universe? Makes me wonder if true, would the speed of gravity waves also be faster?
Also makes me wonder if the speed of light and the speed of gravity waves have been compared yet? Any cataclysmic events that have been picked off by LIGO as well as by optical telescopes?
I have never investigated his theory (and I can't thus answer your question). One alternative to standard physics. His theory is however testable, but I don't know the status. I guess: still pending (as I can't find anything new with this respect) :)
Yes they did, thanks to the neutron star merger event for which both gravitational and electromagnetic waves have been observed. The speed match to an amazing level of precision.
Comment peut on être sur qu'on arrivera a détecter les ondes même à longue distance ? La propagation des ondes gravitationnelles à des année-lumière est elle possible sans interférence ? Excusez moi s'il te parait qq chose claire mais je voulais savoir !
Ces ondes interagissent extremement faiblement. En fait, dire qu'elle n'interagissent pas avec la matiere erst une approximation tout a fait valable a ce niveau. Cette hypothese a ete verifiee par la detection des 5-10 evenements d'ondes gravitationnelles de cette derniere annee (je n'ai pas le nombre exact en tete).
Est-ce que cela repond a la question?
Si l'interaction est quasiment negligeable donc normalement tout est clair ! Continues le bon travail :)
Merci :)
Est-ce que l'écho du big bang est une onde gravitationnelle du coup ?
C'est vraiment très intéressant, tu es mon sciences et vie steemien lol.
On recherche toujours les ondes gravitationnelles qui pourraient provenir du big bang. Mais rien de concluant pour le moment. Il y a eu toute une histoire, il y a 3-4 ans, avec BICEP2. Mais au final, il s'agissait d'une erreur dans l'analyse des donnees.
Superbe article, je ne connaissais pas du tout les ondes gravitationnelles.
J’ai une question qui peut paraitre bête, si on part du principe que les ondes sont des déplacements créés à partir d’un choc. Ces ondes en se déplaçant peuvent également si elles sont artificiellement recréées déplacer un objet ?
Je pense notamment aux déplacements d’un transport d’un point A vers un point b.
Pensez-vous la chose possible ?
Merci pour ton commentaire.
Ces ondes interagissant ultra faiblement avec la matiere, il faut vraiment des evenements catastrophiques pour les generer. Comme par exemple des fusion de trous noirs. Donc au niveau artificiel, c'est malheureusement impossible. Nous n'avons pas assez de masse sur Terre pour cela. De facon similaire, les ondes creees n'interagiront pas avec la matiere en raison de la faiblesse de la force gravitationnelle.
J'espere que cela clarifie. Sinon, ne pas hesiter a revenir vers moi :)
Dommage moi qui pensais avoir trouvé la solution au voyage vers Mars ^^
Je te remercie pour ton explication
Au plaisir de te lire
Mais de rien et a bientot!
PS: En effet, pour les voyages spatiaux ca ne marchera pas. ^^
Nous n'avions pas pris connaissance d'un tel phénomène avant de nous intéresser à votre article ! Upvoté à 100% !
Merci les amis ^^
I followed the link to the English version of the post, I was amazed to see my comment on the post (Cosmic Archeology). I had to read the post again to refresh my memory.
merci d'avoir partagé cela
Yeah, repetition is important for learning. However, the other languages I know are not at a level I can write :p
You're very correct sir.
Maybe one of these days, you may consider translating your post into Naija pidgin language. I can help with that too :)
I just don't know a single word... Not very good as a starter. And I definitely have no time to learn a 6th language (although among the 5 I already know, one is rusted and 2 are at a very basic level) ;)
You know five languages? Wow! Now I'm challenged. I'm going to learn a new language; maybe Français :)
I speak fluently 2 of them, and read more or less 3 others (for 1 of them speaking is complicated, and for the 2 others, speaking is a real pain).
French is not the easiest language on Earth ;)
Ahh je suis contente quand tu écris en français car je peux enfin comprendre toutes les choses intéressantes que tu expliques.
J’ai adoré cette article. Je trouve ça passionnant d’en apprendre plus sur l’univers. Merci pour cet article de qualité!
Avec plaisir! J'essaie d'ecrire 2 a 3 fois par mois en francais, mais c'est pas evident. Mon temps est au final assez limite. Mais je vais tenter de faire des efforts ;)
Ravi que l'article t'ai plu!