Nouvelles fenêtres sur l’univers Daniel Bertrand 21/01/2005

Domaines d’observation Spectre électromagnétique E = h.n h = 6,626 10-34 J.s 1 eV = 1,602 10-19 J 2,7°K = 3.73 10-23 J

Surprises en astronomie EM 1543 Copernic propose le système héliocentrique 1608 Galilée découvre les lunes de Jupiter (télescope optique destiné à la navigation) 1929 Hubble met en évidence l’expansion de l’univers (spectromètre destiné à l’observation de nébuleuses) 1932 Jansky découvre les radio-galaxies (en cherchant l’origine 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 d’éliminer le bruit dans l’observation 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 l’ionosphère) 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 d’énergie de l’univers

? ? Observation Coordonnées galactiques Radio Micro ondes Infra rouge Crédit NRAO / AUI / NSF Micro ondes Infra rouge Visible Rayons X Gammas Bouffées Gammas ? Neutrinos ? Ondes gravitationnelles

Evolution Inflation (Big Bang plus 10-34 secondes) Big Bang plus 380.000 ans Big Bang plus 13,7 milliards années présent Les ondes gravitationnelles peuvent provenir de l’origine de l’univers Onde électromagnétique Onde gravitationnelle Noyaux légers (Big Bang plus 1 seconde) neutrinos

Le découplage rayonnement matière Température compatible avec formation d’atomes  3000°K l’équilibre rayonnement matière est rompu Les photons cessent d’interagir avec les électrons libres Impossible de « voir » au-delà de la surface de dernière diffusion Longueur d’onde du rayonnement « étirée » par l’expansion de l’univers  E ~1/R La densité de matière décroît en 1/R3 La densité de rayonnement décroît en 1/R3 (géom.)x1/R(éner.)=1/R4 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 10-4 et 10-6 degrés K Leurs corrélations dépendent de la densité de matière et de la densité d’énergie Des expériences embarquées dans des ballons ou des satellites artificiels ont permis de les mesurer

WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Lancé en juin 2001 Refroidissement passif Instruments de mesure à différentes fréquences Précision absolue 4µ°K

WMAP positionné au point de Lagrange L2

Les points de Lagrange r = 1.502.000 km Vitesse terre Période rotation Vitesse satellite

WMAP mesure le ciel complet en 6 mois

Mesures à différentes fréquences 33 GHz 150 300 450 600 n GHz 41 GHz 23 GHz 94 GHz 61 GHz Soustraction du rayonnement galactique Spectre du corps noir Correspondance parfaite !

Corrélation des points chauds et froids

Univers euclidien 66 ± 6 % Energie noire 4 ± 1 % Matière ordinaire (0.02 % C, N, O, … Fe; 0.5 % étoiles; 3.5 % gaz chauds 0.01 % CMB 0.1 % (?) neutrinos 29 ± 4 % Matière noire froide 66 ± 6 % Energie noire

Voir plus loin dans le temps… Les ondes gravitationnelles Propagation de déformations de l’espace-temps Similaire à une onde électromagnétique mais pas de charge Déformation de l’espace 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

Evidence Pulsar binaire de Hulse-Taylor : PSR 1913 +16 Distance ~ 21.000 al 17/sec 8 h

Intensité du signal D’où vient la difficulté d’observation ? Amplitude relative h = DL/L Potentiel Newtonien de la source (masse M; distance r) divisé par c Energie cinétique de la source - - - + + +

Exemple : système binaire d’étoiles à neutrons Masse ~ 3x1030 kg ~ 1,4 Msolaire; 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 1024 m h ~ 10-18  sur 100 km déplacement de 10-13m !!

Instrument : Interféromètre de Michelson Pour augmenter la sensibilité à DL donné utiliser des GRANDS L LIGO Hanford (Washington) Livingston (Louisiane) L = 4 km

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: 10-9 torr

Sensibilité Variation en fréquence lors de la coalescence d’un système binaire

Futur : LISA L = 5.106 km Positionné au point L5 Compensation pour les perturbations externes (pression électromagnétique du soleil; effets gravitationnels résiduels du système solaire) internes (action des champs électriques de l’instrumentation sur les masses tests)

Un nouveau messager : Le neutrino Troisième « corps » de la désintégration b Ne subit que l’interaction faible Ont pu être émis dès la première seconde de l’univers Indirectement produits lors d’interactions p g de protons accélérés dans les ondes de choc d’événements cataclysmiques: explosion de supernovae coalescence de systèmes binaires

Radiation Cerenkov Vitesse de la particule > vitesse de la lumière bct qc

Principe de détection m n n + N  µ + X Les photons Cerenkov sont détectés par une matrice de photo-multiplicateurs Effet Cerenkov : n=1.33; qc 41° Cos(tetac)=(c/n)/(beta.c) Les traces sont reconstruites par analyse statistique basée sur le temps d ’arrivée des photons. n

La base Scott-Amundsen

AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) AMANDA-II 19 Chaînes 677 modules optiques ADD: 1997-99 B-10; 2000+ AMANDA-II “Up-going” (de l’hémisphère nord) “Down-going” (de l’hémisphère sud) Module Optique

Première carte du ciel austral 391 jours de prise de données (2000-2001) 959 événements 465 en dessous de l’horizon Au dessus de l’horizon: principalement neutrinos atmosphériques Déviations standards Ecarts par rapport au bruit de fond Pas d’évidence de direction d’émission privilégiée En dessous de l’horizon : principalement bruit de fond

Augmentation de la sensibilité: IceCube Pôle sud “Nord” Secteur “isolé” Piste d’envol AMANDA Dôme Position prévue à 1km “ouest”

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

Réservoir IceTop avec superstructure au pôle sud – Nov 2003 Vue des modules optiques

Système de forage (janvier 2005)

Place à l’imagination des expérimentateurs ! Conclusions L’astronomie « 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 l’imagination des expérimentateurs !