Ondes gravitationnelles, Daniel Lellouch (Weizmann, Israël) : "nous entrons dans l'ère de la gravito-astronomie". Vidéo.
[:fr]La communauté scientifique mondiale est en ébullition ! Pour la première fois, des scientifiques ont observé des ondulations de l’espace-temps, appelées ondes gravitationnelles, produites par un événement cataclysmique dans l’Univers lointain atteignant la Terre après un long voyage. Le détecteur LIGO ouvre ainsi une nouvelle fenêtre sur l’Univers avec l’observation d’ondes gravitationnelles provenant d’une collision de deux trous noirs. Cette découverte confirme une prédiction majeure de la théorie de la relativité générale énoncée par Albert Einstein en 1915 et ouvre une toute nouvelle fenêtre sur le cosmos. Les ondes gravitationnelles portent en elles des informations qui ne peuvent pas être obtenues autrement, concernant à la fois leurs origines extraordinaires (des phénomènes violents dans l’Univers) et la nature de la gravitation.
Le physicien Daniel Lellouch* (Institut Weizmann des Sciences, Israël), a confié à Israël Science Info : « Cette découverte constitue le « dernier chaînon » de la vérification de la théorie de la Relativité Générale, cent ans après sa formulation. La boucle est bouclée : grâce à une technologie remarquable, les expérimentateurs viennent de confirmer de façon directe que gravitation et déformation de l’espace-temps sont deux phénomènes identiques. La recherche ne s’arrêtera pas là : de « découverte », les ondes gravitationnelles vont maintenant acquérir le statut « d’outil ». Un peu comme la découverte des ondes radio a donné naissance à la radioastronomie, celle des ondes gravitationnelles va engendrer la « gravito-astronomie ». Ceci permettra d’étudier des phénomènes peu connus, comme la formation des trous noirs et leurs collisions mutuelles. A noter qu’Israël a une longue tradition d’astrophysique théorique, principalement à l’Université Hébraïque de Jérusalem, dont l’un des fondateurs en 1920 fut Albert Einstein. Parmi les scientifiques les plus connus, citons les Professeurs Tsvi Piran ainsi que Yaakov Beckenstein, récemment décédé. A l’institut Weizmann, à Rehovot, travaille également Moti Milgrom, célèbre pour sa théorie « MOND » qui modifie les lois de la mécanique à très faible accélération ».
La conclusion des physiciens est que les ondes gravitationnelles détectées ont été produites pendant la dernière fraction de seconde précédant la fusion de deux trous noirs en un trou noir unique, plus massif et en rotation sur lui-même. La possibilité d’une telle collision de deux trous noirs avait été prédite, mais ce phénomène n’avait jamais été observé. Ces ondes gravitationnelles ont été détectées le 14 septembre 2015, à 11h51, heure de Paris (9h51 GMT), par les deux détecteurs jumeaux de LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) situés aux Etats-Unis à Livingston, en Louisiane, et Hanford, dans l’Etat de Washington. Les observatoires LIGO sont financés par la National Science Foundation (NSF) ; ils ont été conçus et construits par Caltech et le MIT, qui assurent leur fonctionnement. La découverte, qui fait l’objet d’une publication acceptée par la revue Physical Review Letters, a été réalisée par la collaboration scientifique LIGO (qui inclut la collaboration GEO et l’Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy) et la collaboration Virgo, à partir de données provenant des deux détecteurs LIGO. Une centaine de scientifiques travaillant dans six laboratoires associés au CNRS ont contribué à cette découverte, au sein de la collaboration Virgo.
Clin d’il de l’histoire : c’est 100 ans tout juste après la publication de la théorie de la relativité générale d’Einstein, qu’une équipe internationale vient d’en confirmer l’une des prédictions majeures, en réalisant la première détection directe d’ondes gravitationnelles. Cette découverte se double de la première observation de la « valse » finale de deux trous noirs qui finissent par fusionner.
L’analyse des données a permis aux scientifiques des collaborations LIGO et Virgo d’estimer que les deux trous noirs ont fusionné il y a 1.3 milliard d’années, et avaient des masses d’environ 29 et 36 fois celle du Soleil. La comparaison des temps d’arrivée des ondes gravitationnelles dans les deux détecteurs (7 millisecondes d’écart) et l’étude des caractéristiques des signaux mesurés par les collaborations LIGO et Virgo ont montré que la source de ces ondes gravitationnelles était probablement située dans l’hémisphère sud. Une localisation plus précise aurait nécessité des détecteurs supplémentaires. L’entrée en service d’Advanced Virgo fin 2016 permettra justement cela.
Selon la théorie de la relativité générale, un couple de trous noirs en orbite l’un autour de l’autre perd de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles. Les deux astres se rapprochent lentement, un phénomène qui peut durer des milliards d’années avant de s’accélérer brusquement. En une fraction de seconde, les deux trous noirs entrent alors en collision à une vitesse de l’ordre de la moitié de celle de la lumière et fusionnent en un trou noir unique. Celui-ci est plus léger que la somme des deux trous noirs initiaux car une partie de leur masse (ici, l’équivalent de 3 soleils, soit une énergie colossale) s’est convertie en ondes gravitationnelles selon la célèbre formule d’Einstein E=mc2. C’est cette bouffée d’ondes gravitationnelles que les collaborations LIGO et Virgo ont observée.
Une preuve indirecte de l’existence des ondes gravitationnelles avait été fournie par l’étude de l’objet PSR 1913+16, découvert en 1974 par Russel Hulse et Joseph Taylor lauréats du prix Nobel de physique 1993. PSR 1913+16 est un système binaire composé d’un pulsar en orbite autour d’une étoile à neutrons. En étudiant sur trois décennies l’orbite du pulsar, Joseph Taylor et Joel Weisberg ont montré qu’elle diminuait très lentement et que cette évolution correspondait exactement à celle attendue dans le cas où le système perdait de l’énergie sous la forme d’ondes gravitationnelles. La collision entre les deux astres composants le système PSR 1913+16 est attendue dans environ 300 millions d’années ! Grâce à leur découverte, les collaborations LIGO et Virgo ont pu observer directement le signal émis à la toute fin de l’évolution d’un autre système binaire, formé de deux trous noirs, lorsqu’ils ont fusionné en un trou noir unique.
Détecter un phénomène aussi insaisissable1 que les ondes gravitationnelles aura demandé plus de 50 ans d’efforts de par le monde dans la conception de détecteurs de plus en plus sensibles. Aujourd’hui, par cette première détection directe, les collaborations LIGO et Virgo ouvrent une nouvelle ère pour l’astronomie : les ondes gravitationnelles sont un nouveau messager du cosmos, et le seul qu’émettent certains objets astrophysiques, comme les trous noirs.
Autour de LIGO s’est constituée la collaboration scientifique LIGO (LIGO Scientific Collaboration, LSC), un groupe de plus de 1000 scientifiques travaillant dans des universités aux Etats-Unis et dans 14 autres pays. Au sein de la LSC, plus de 90 universités et instituts de recherche réalisent des développements technologiques pour les détecteurs et analysent les données collectées. La collaboration inclut environ 250 étudiants qui apportent une contribution significative. Le réseau de détecteurs de la LSC comporte les interféromètres LIGO et le détecteur GEO600. L’équipe GEO comprend des chercheurs du Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, AEI), de Leibniz Universität Hannover (en Allemagne), ainsi que des partenaires dans les universités de Glasgow, Cardiff, Birmingham, et d’autres universités du Royaume-Uni, et à l’Université des îles Baléares en Espagne.
Les chercheurs travaillant sur Virgo sont regroupés au sein de la collaboration du même nom, comprenant plus de 250 physiciens, ingénieurs et techniciens appartenant à 19 laboratoires européens dont 6 au Centre national de la recherche scientifique (CNRS) en France, 8 à l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie et 2 à Nikhef aux Pays-Bas. Les autres laboratoires sont Wigner RCP en Hongrie, le groupe POLGRAW en Pologne, et EGO (European Gravitational Observatory), près de Pise, en Italie, où est implanté l’interféromètre Virgo.
A l’origine, LIGO a été proposé comme un moyen de détecter ces ondes gravitationnelles dans les années 1980 par Rainer Weiss, professeur émérite de physique au MIT, Kip Thorne, professeur de physique théorique émérite à Caltech (chaire Richard P. Feynman) et Ronald Drever, professeur de physique émérite à Caltech. Virgo est né grâce aux idées visionnaires d’Alain Brillet et d’Adalberto Giazotto. Le détecteur a été conçu grâce à des technologies innovantes, étendant sa sensibilité dans la gamme des basses fréquences. La construction a commencé en 1994 et a été financée par le CNRS et l’INFN ; depuis 2007, Virgo et LIGO ont partagé et analysé en commun les données collectées par tous les interféromètres du réseau international. Après le début des travaux de mise à niveau de LIGO, Virgo a continué à fonctionner jusqu’en 2011.
Le projet Advanced Virgo, financé par le CNRS, l’INFN et Nikhef, a ensuite été lancé. Le nouveau détecteur sera opérationnel d’ici la fin de l’année. En outre, d’autres organismes et universités des 5 pays européens de la collaboration Virgo contribuent à la fois à Advanced Virgo et à la découverte annoncée aujourd’hui.
En s’engageant depuis plus de vingt ans dans la réalisation de Virgo puis d’Advanced Virgo, la France s’est placée en première ligne pour la recherche des ondes gravitationnelles. Le partenariat noué avec LIGO pour l’exploitation des instruments LIGO et Virgo, qui se traduit par la participation directe de laboratoires français aussi bien à l’analyse des données qu’à la rédaction et à la validation des publications scientifiques, est le prolongement de collaborations techniques très anciennes avec LIGO, ayant conduit par exemple à la réalisation du traitement des surfaces des miroirs de LIGO à Villeurbanne. La publication scientifique des collaborations LIGO et Virgo annonçant leur découverte est cosignée par 75 scientifiques français provenant de six équipes du CNRS et des universités associées :
– le laboratoire Astroparticule et cosmologie (CNRS/Université Paris Diderot/CEA/Observatoire de Paris), à Paris ;
– le laboratoire Astrophysique relativiste, théories, expériences, métrologie, instrumentation, signaux (CNRS/Observatoire de la Côte d’Azur/Université Nice Sophia Antipolis), à Nice ;
– le Laboratoire de l’accélérateur linéaire (CNRS/Université Paris-Sud), à Orsay ;
– le Laboratoire d’Annecy-le-Vieux de physique des particules (CNRS/Université Savoie Mont Blanc), à Annecy-le-Vieux ;
– le Laboratoire Kastler Brossel (CNRS/UPMC/ENS/Collège de France), à Paris ;
– le Laboratoire des matériaux avancés (CNRS), à Villeurbanne.
La découverte a été rendue possible par les capacités accrues d’Advanced LIGO, une version grandement améliorée qui accroit la sensibilité des instruments par rapport à la première génération des détecteurs LIGO. Elle a permis une augmentation notable du volume d’Univers sondé et la découverte des ondes gravitationnelles dès sa première campagne d’observations. La National Science Foundation des Etats-Unis a financé la plus grande partie d’Advanced LIGO. Des agences de financement allemande (Max Planck Society), britannique (Science and Technology Facilities Council, STFC) et australienne (Australian Research Council) ont aussi contribué de manière significative au projet. Plusieurs des technologies clés qui ont permis d’améliorer très nettement la sensibilité d’Advanced LIGO ont été développées et testées par la collaboration germano-britannique GEO. Des ressources de calcul significatives ont été allouées au projet par le groupe de calcul Atlas de l’AEI à Hanovre, le laboratoire LIGO, l’université de Syracuse et l’Université du Wisconsin à Milwaukee. Plusieurs universités ont conçu, construit et testé des composants clés d’Advanced LIGO : l’université nationale australienne, l’université d’Adélaïde, l’université de Floride, l’université Stanford, l’université Columbia de New York et l’université d’Etat de Louisiane.
Publication in Physical Review Letters
* Daniel Lelouch est membre du comité scientifique d’Israël Science Info
Voir aussi lien sur ce thème
– Lors de l’événement du 14 septembre 2015, la longueur des bras des interféromètres a varié d’un cent-millionième de la taille d’un atome.
Vendredi 12 février, des chercheurs français du consortium LIGO/Virgo donnent rendez-vous aux curieux sur Twitter de 13h30 à 14h pour répondre aux questions sur la détection exceptionnelle des ondes gravitationnelles. Ils attendent dès maintenant les questions des Twittos avec #AskLVC ![:en]
For the first time, scientists have observed ripples in the fabric of spacetime called gravitational waves, arriving at the Earth from a cataclysmic event in the distant universe. This confirms a major prediction of Albert Einstein’s 1915 general theory of relativity and opens an unprecedented new window onto the cosmos. Gravitational waves carry information about their dramatic origins and about the nature of gravity that cannot otherwise be obtained. LIGO opens New Window on the Universe with Observation of Gravitational Waves from Colliding Black Holes. Physicists have concluded that the detected gravitational waves were produced during the final fraction of a second of the merger of two black holes to produce a single, more massive spinning black hole. This collision of two black holes had been predicted but never observed. The gravitational waves were detected on September 14, 2015 at 5:51 a.m. Eastern Daylight Time (9:51 a.m. UTC) by both of the twin Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) detectors, located in Livingston, Louisiana, and Hanford, Washington, USA. The LIGO Observatories are funded by the National Science Foundation (NSF), and were conceived, built, and are operated by Caltech and MIT. The discovery was made by the LIGO Scientific Collaboration (which includes the GEO Collaboration and the Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy) and the Virgo Collaboration using data from the two LIGO detectors. Around a hundred scientists working in six laboratories associated with the CNRS contributed to the discovery, as part of the Virgo collaboration.
By a remarkable historical coincidence, exactly 100 years after the publication of Einstein’s general theory of relativity, an international team has confirmed one of its major predictions by detecting gravitational waves directly for the first time ever. The discovery was coupled with the first observation of the final spinning ‘dance’ of two black holes on the point of merging.
On the basis of the data, LIGO and Virgo scientists estimate that the two black holes merged 1.3 billion years ago and that their masses were about 29 and 36 times that of the Sun. By comparing the arrival times of the gravitational waves at the two detectors (a difference of 7 milliseconds) and studying the characteristics of the signals measured by the LIGO and Virgo collaborations, scientists have shown that the source of the gravitational waves was probably located in the Southern hemisphere. Locating the source more precisely would have required extra detectors. This will be the case when Advanced Virgo begins operation in late 2016.
According to the general theory of relativity, a pair of black holes orbiting around each other loses energy through the emission of gravitational waves. The two bodies gradually approach each other, a process that can last billions of years, before rapidly accelerating in the final moments. In a fraction of a second, the two black holes collide at around half the speed of light, merging to form a single black hole. The new body is less massive than the sum of the two original black holes since part of their mass (in this case, the equivalent of three solar masses) has been converted into a colossal amount of energy, given by Einstein’s famous equation E=mc2, which is emitted as a burst of gravitational waves. It is these gravitational waves that were detected by the LIGO and Virgo collaborations.
Indirect evidence of the existence of gravitational waves was first obtained by the observation of an object called PSR 1913+16, discovered in 1974 by Russell Hulse and Joseph Taylor, who were awarded the Nobel Prize in Physics in 1993. PSR 1913+16 is a binary system made up of a pulsar in orbit around a neutron star. Taylor and Joel Weisberg studied the pulsar’s orbit for thirty years, and showed that it was very slowly shrinking. The rate at which this was occurring corresponded exactly to that expected if the system was losing energy in the form of gravitational waves. The two bodies making up the PSR 1913+16 system are not expected to collide any time soon, in fact not for another 300 million years or so. Building on this discovery, the LIGO and Virgo collaborations were able to directly observe the signal emitted in the final moments of the life of another binary system made up of two black holes, when they merged into a single black hole.
Detecting a phenomenon as elusive1 as gravitational waves has taken more than 50 years in a worldwide endeavor to design increasingly sensitive detectors. Today, with this first direct detection, the LIGO and Virgo collaborations have opened up a new era for astronomy: gravitational waves are a new messenger from the cosmos, and the only one emitted by certain astrophysical objects such as black holes.
LIGO research is carried out by the LIGO Scientific Collaboration (LSC), a group of more than 1000 scientists from universities around the United States and in 14 other countries. More than 90 universities and research institutes in the LSC develop detector technology and analyze data; approximately 250 students are strong contributing members of the collaboration. The LSC detector network includes the LIGO interferometers and the GEO600 detector. The GEO team includes scientists at the Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, AEI), Leibniz Universität Hannover, along with partners at the University of Glasgow, Cardiff University, the University of Birmingham, other universities in the United Kingdom, and the University of the Balearic Islands in Spain.
Virgo research is carried out by the Virgo Collaboration, consisting of more than 250 physicists and engineers belonging to 19 different European laboratories: 6 from Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in France; 8 from the Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italy; 2 in the Netherlands with Nikhef; the Wigner RCP in Hungary; the POLGRAW group in Poland; and the European Gravitational Observatory (EGO), the laboratory hosting the Virgo interferometer near Pisa in Italy.
LIGO was originally proposed as a means of detecting these gravitational waves in the 1980s by Rainer Weiss, professor of physics, emeritus, from MIT; Kip Thorne, Caltech’s Richard P. Feynman Professor of Theoretical Physics, emeritus; and Ronald Drever, professor of physics, emeritus, also from Caltech.
Virgo was born thanks to the visionary ideas of Alain Brillet and Adalberto Giazotto. The detector was designed based on innovative technologies expanding the sensitivity to the low frequency range. The construction started in 1994 and it has been funded by CNRS and INFN; since 2007 Virgo and LIGO have shared and jointly analysed the data taken by all the interferometers of the international network. After the start of the LIGO upgrade, Virgo took data until 2011.
The Advanced Virgo project, funded by CNRS, INFN and Nikhef, was then launched: the new detector will be in operation before the end of the year. In addition several institutes and universities of the five European nations of the Virgo Collaboration contribute both to the Advanced Virgo upgrade and to the discovery effort.
Committed for more than twenty years to the construction of Virgo and then Advanced Virgo, France is among the frontrunners in the search for gravitational waves. The partnership forged with LIGO for the operation of the LIGO and Virgo instruments has led to the direct participation of French laboratories in both data analysis and the writing and validation of scientific publications. It is a continuation of a long-standing technical collaboration with LIGO, which has for instance resulted in the treatment of LIGO mirror surfaces being carried out in Villeurbanne, France. The scientific publication of the LIGO and Virgo collaborations announcing their discovery is co-signed by 75 French scientists in six teams from the CNRS and associated universities:
– AstroParticule et Cosmologie laboratory (Université Paris Diderot/CNRS/CEA/Observatoire de Paris), Paris;
– ‘Astrophysique Relativiste, Théories, Expériences, Métrologie, Instrumentation, Signaux’ laboratory (CNRS/Observatoire de la Côte d’Azur/Université Nice Sophia Antipolis), Nice;
– Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire (CNRS/Université Paris-Sud), Orsay;
– Laboratoire d’Annecy-le-Vieux de Physique des Particules (CNRS/Université Savoie Mont Blanc), Annecy-le-Vieux;
– Laboratoire Kastler Brossel (CNRS/UPMC/ENS/Collège de France), Paris;
– Laboratoire des Matériaux Avancés (CNRS), Villeurbanne.
The discovery was made possible by the enhanced capabilities of Advanced LIGO, a major upgrade that increases the sensitivity of the instruments compared to the first generation LIGO detectors, enabling a large increase in the volume of the universe probed—and the discovery of gravitational waves during its first observation run. The US National Science Foundation leads in financial support for Advanced LIGO. Funding organizations in Germany (Max Planck Society), the U.K. (Science and Technology Facilities Council, STFC) and Australia (Australian Research Council) also have made significant commitments to the project. Several of the key technologies that made
Advanced LIGO so much more sensitive have been developed and tested by the German UK GEO collaboration. Significant computer resources have been contributed by the AEI Hannover Atlas Cluster, the LIGO Laboratory, Syracuse University, and the University of Wisconsin-Milwaukee. Several universities designed, built, and tested key components for Advanced LIGO: The Australian National University, the University of Adelaide, the University of Florida, Stanford University, Columbia University of New York, and Louisiana State University.
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