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Nouvelles fenêtres sur lunivers Daniel Bertrand 21/01/2005.

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1 Nouvelles fenêtres sur lunivers Daniel Bertrand 21/01/2005

2 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 2 Domaines dobservation E = h. h = 6, J.s 2,7°K = J 1 eV = 1, J Spectre électromagnétique

3 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 3 Surprises en astronomie EM 1608 Galilée découvre les lunes de Jupiter (télescope optique destiné à la navigation) 1929 Hubble met en évidence lexpansion de lunivers (spectromètre destiné à lobservation de nébuleuses) 1932 Jansky découvre les radio-galaxies (en cherchant lorigine du bruit dans des émissions radio) 1960? Des militaires observent des bouffées Gammas (En espionnant des explosions thermonucléaires sur terre) 1965 Penzias & Wilson observent le rayonnement à 3°K (en tentant déliminer le bruit dans lobservation de radio-galaxies) 1965 Giacconi et col. Découvrent des étoiles à neutrons (en observant les émissions en rayon X du soleil et de la lune) 1967 Hewish & Bell découvrent les pulsars (en étudiant la propagation des ondes radio dans lionosphère) 1543 Copernic propose le système héliocentrique 1992 Le satellite COBE fournit les premières données sur les fluctuations du rayonnement à 3°K 2002 Le satellite WMAP fournit des données précises sur la densité de matière et dénergie de lunivers

4 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 4 Observation Infra rouge VisibleRayons XGammas Bouffées Gammas Coordonnées galactiques Radio Crédit NRAO / AUI / NSF Micro ondes ? Neutrinos ? Ondes gravitationnelles

5 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 5 Evolution Inflation (Big Bang plus secondes) Big Bang plus ans Big Bang plus 13,7 milliards années présent Les ondes gravitationnelles peuvent provenir de lorigine de lunivers Onde électromagnétique Onde gravitationnelle Noyaux légers (Big Bang plus 1 seconde) neutrinos

6 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 6 Le découplage rayonnement matière Température compatible avec formation datomes 3000°K léquilibre rayonnement matière est rompu Les photons cessent dinteragir avec les électrons libres Impossible de « voir » au-delà de la surface de dernière diffusion Longueur donde du rayonnement « étirée » par lexpansion de lunivers E ~1/R La densité de matière décroît en 1/R 3 La densité de rayonnement décroît en 1/R 3 (géom.)x1/R(éner.)=1/R 4 Au moment du découplage: fluctuations de densité de matière Certains photons restent « prisonniers » plus longtemps Ils constituent des points chauds Ces fluctuations sont restées figées Elles valent actuellement entre et degrés K Leurs corrélations dépendent de la densité de matière et de la densité dénergie Des expériences embarquées dans des ballons ou des satellites artificiels ont permis de les mesurer

7 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 7 WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Lancé en juin 2001 Refroidissement passif Instruments de mesure à différentes fréquences Précision absolue 4µ°K

8 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 8 WMAP positionné au point de Lagrange L2

9 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 9 Les points de Lagrange Vitesse terre Période rotation Vitesse satellite r = km

10 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 10 WMAP mesure le ciel complet en 6 mois

11 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 11 Mesures à différentes fréquences GHz 23 GHz 94 GHz61 GHz 41 GHz 33 GHz Soustraction du rayonnement galactique Spectre du corps noir Correspondance parfaite !

12 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 12 Corrélation des points chauds et froids

13 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 13 Univers euclidien 0.01 % CMB 0.1 % (?) neutrinos 4 ± 1 % Matière ordinaire (0.02 % C, N, O, … Fe; 0.5 % étoiles; 3.5 % gaz chauds 66 ± 6 % Energie noire 29 ± 4 % Matière noire froide

14 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 14 Voir plus loin dans le temps… Propagation de déformations de lespace- temps Similaire à une onde électromagnétique mais pas de charge Déformation de lespace transversalement à la direction de propagation: contraction dans une direction, expansion dans la direction orthogonale Observation ? Evénements cataclysmiques A des distances « raisonnables » Appareils de très haute sensibilité Parfaitement isolés de leur environnement Les ondes gravitationnelles

15 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 15 Evidence 17/sec 8 h Pulsar binaire de Hulse-Taylor : PSR Distance ~ al

16 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand Intensité du signal Doù vient la difficulté dobservation ? Amplitude relative h = L/L Potentiel Newtonien de la source (masse M; distance r) divisé par c Energie cinétique de la source

17 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 17 Exemple : système binaire détoiles à neutrons Masse ~ 3x10 30 kg ~ 1,4 M solaire ; Diamètre 10 km Distance orbitale minimale ~ 20 km Energie potentielle: Fréquence de rotation f(100 km) ~ 100 Hz f(20 km) ~ 1 kHz Distance: 50 Mal (amas de la Vierge) ~6 x m h ~ sur 100 km déplacement de m !!

18 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 18 LIGO Hanford (Washington) Livingston (Louisiane) Instrument : Interféromètre de Michelson Pour augmenter la sensibilité à L donné utiliser des GRANDS L L = 4 km

19 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 19 Propagation lumière - Isolation sismique ! Suspensions actives avec boucles de rétroaction Miroirs : Masses libres à une fréquence propre de 100Hz masse : 10,7 kg; diamètre 25 cm Tubes: 1,24 m diamètre Vide: torr

20 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 20 Sensibilité Variation en fréquence lors de la coalescence dun système binaire

21 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 21 Futur : LISA Positionné au point L5 L = km Compensation pour les perturbations externes (pression électromagnétique du soleil; effets gravitationnels résiduels du système solaire) internes (action des champs électriques de linstrumentation sur les masses tests)

22 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 22 Un nouveau messager : Le neutrino Troisième « corps » de la désintégration Ne subit que linteraction faible Ont pu être émis dès la première seconde de lunivers Indirectement produits lors dinteractions p de protons accélérés dans les ondes de choc dévénements cataclysmiques: explosion de supernovae coalescence de systèmes binaires

23 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 23 Radiation Cerenkov Vitesse de la particule > vitesse de la lumière ct c

24 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 24 Principe de détection Effet Cerenkov : n=1.33; c 41° Les photons Cerenkov sont détectés par une matrice de photo- multiplicateurs Les traces sont reconstruites par analyse statistique basée sur le temps d arrivée des photons. + N µ + X

25 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 25 La base Scott-Amundsen

26 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 26 Module Optique Up-going (de lhémisphère nord) Down-going (de lhémisphère sud) AMANDA-II 19 Chaînes 677 modules optiques AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array)

27 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 27 Première carte du ciel austral En dessous de lhorizon : principalement bruit de fond Au dessus de lhorizon: principalement neutrinos atmosphériques 391 jours de prise de données ( ) 959 événements 465 en dessous de lhorizon Pas dévidence de direction démission privilégiée Déviations standards Ecarts par rapport au bruit de fond

28 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 28 Augmentation de la sensibilité: IceCube Secteur isolé AMANDA Dôme Piste denvol Pôle sud Position prévue à 1km ouest Nord

29 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 29 Le détecteur IceCube 80 chaînes Séparation 17 m entre modules optiques 125 m entre chaîne Optimisé pour intervalle énergie [TeV-PeV(EeV)] 160 réservoirs de glace (2/chaîne) Cylindre: diamètre 2 m; hauteur 0.9 m 2 modules optiques/réservoir IceCube Station du pôle sud Couche de neige

30 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 30 Réservoir IceTop avec superstructure au pôle sud – Nov 2003 Vue des modules optiques

31 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 31 Système de forage (janvier 2005)

32 Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 32 Conclusions Lastronomie « électromagnétique » est limitée Temps: Découplage photon-matière Distance: Absorption et interaction De nouvelles voies sont ouvertes… Ondes gravitationnelles Neutrinos Mais le chemin est difficile Signaux de faible amplitude Bruit de fond important Place à limagination des expérimentateurs !


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