Astrophysique et Cosmologie avec les Ondes Gravitationnelles Tania Regimbau JSOCA07-Valbonne

Gravitation Gravitation Universelle de Newton: action instantannée à distance Relativité Générale d’Einstein: information transportée par une onde gravitationnelle à la vitesse de la lumière

Ondes Gravitationnelles John Archibald Wheeler “Mass tells space-time how to curve, and space-time tells mass how to move.“ Quand la matière est accelerée ou change de configuration, elle modifie la courbure de l’espace temps. Ces changements se propagent vers l’extérieur comme des rides a la surface de l’eau: ce sont les ondes gravitationnelles.

Sources d’Ondes Gravitationnelles Les effets des ondes gravitationnelles ne sont perceptibles que dans des conditions extrêmes de densite et de vitesse. sources impulsionnelles formation d’étoiles à neutrons ou de trous noirs fusion de systèmes binaires massifs (étoiles a neutrons, trous noirs) sources continues étoiles à neutrons en rotation rapide coalescence de systèmes binaires massifs fond gravitationnel stochastique cosmologique (époque du Big Bang) astrophysique

Systemes Binaires Étoiles à neutrons et trous noirs stellaires population: taux de coalescence, évolution des progeniteurs propriétés physiques des étoiles à neutrons et des trous noirs (masse, vitesse de rotation) énergie noire (chandelles standards) lien qvec les GRBs courts Trous noirs supermassifs histoire de la formation des galaxies

Horizon: 1ere Generation NS-NS: ~15-20 Mpc (1 ev / siecle)

Horizon: 2ieme Generation ~2015 NS-NS: ~200 Mpc (6 ev / an)

Etoiles à neutrons rotation accrétion de matière Les etoiles a neutrons nous l’avons vu sont des corps extremement denses qui peuvent emettre des ondes gravitationnelles a differentes etapes de leur evolution et sous differentes forme: en tournant (1), en oscillant (2) ou en accretant de la matiere d’une etoile compagnon (3). A la naissance une etoile a neutron a une vitesse de rotation de quelques dizaines ou centaines de millisecondes. Sur cette image vous voyez un pulsar, cad une etoile a neutron jeune qui emet un rayonnement radio qui balaie l’espace comme un phare. l’etoile a neutron est reaccelere par l’accretion de matiere. Pour ne pas depasser la vitesse maximale au dela de laquelle elle serait detruite, elle re-emet l’energie supplementaire sous forme d’ondes gravitationnelles. Les ondes G sont le seul moyen de sonder les couches internes de l’etoiles, surtout le coeur qui selon les modeles theoriques pourrait etre aussi bien composee de matiere ordinaire que de quarks. intérieur des étoiles à neutrons vitesse maximale propriétés physique: vitesse, champs magnétique glitches des pulsars (?) rotation oscillations

Sources Impulsionnelles supernovae formation d’étoiles à neutrons ou de trous noirs collapses, instabilités initiales, oscillations fusions de systemes binaires captures par des trous noirs supermassifs … l’inattendu!! Dans cette categorie se trouvent tout les evenements violents. Ceux que l’on connait et que j’ai deja evoques comme les supernovae, les collapses d’etoiles a neutrons ou de trous noirs, la fusion de systemes binaires. Ceux que l’on pense doivent etre associes a d’autres phenomenes violents comme les GRBs. Enfin et c’est certainement le plus passionant, tout les evenements qui ne seraient visibles que dans le domaine des ondes gravitationnelles et dont on a pour le moment aucune idee. Ces evenements pourraient etre tres energetiques que et c’est peut etre la que se fera la premiere detection. Donc restez a l’ecoute! L’interet scientifique dependra enormement de notre capacite a interpreter ces phenomenes en terme d’astro et de cosmo.

Fond Gravitationnel Stochastique Superposition de toutes les sources depuis le Big Bang Cosmologique moyen unique de sonder les premiers instants de l’Univers, une fraction de seconde après le Big Bang Astrophysique histoire de la formation des galaxies et de la formation stellaire évolution des systèmes binaires massifs taux de formation et propriétés des objets denses modèles cosmologiques Le dernier type de source dont je parlerai est le fond gravitationel stochastique. C’est le signal emit par l’ensemble de toutes les sources, trop eloignees ou trop faibles pour que l’on puisse les dicerner individuellement. La composante cosmologique, cree au tout premier instants apres le Big bang est souvent vu comme le Graal de l’astronomie des ondes gravitationnelles. Elle permettrait de voir l’Univers une fraction de seconde apres le Big Bang soit 300000 ans avant les observations du fond diffus cosmologique.

Une nouvelle fenêtre sur l’Univers Radio x-ray CMB g-ray GW sky?? Pour conclure, voici le ciel tel que nous le connaissons aujourd’hui a travers les differentes fenetres d’observations radio, X, gamma etc… Au cours du siècle dernier, nous avons decouvert une quantite de nouveaux objets comme les pulsars, quasars, trous noirs supermassifs et pu observer des evenement extremements violents comme les explosions d'étoiles, coalescences de systèmes binaires, collisions de galaxies. Une fenetre aujourd’hui completement inexploitee est celle des OG. Leur observation nous fournira une vision nouvelle de l'Univers violent, complémentaire des observations électromagnétiques. Les ondes gravitationnelles pénêtrent la matière sans être perturbées donc nous permettrons d'observer le centre des galaxies d'où la lumière ne peut pas s'échapper, et les premiers instants de l'Univers quelques secondes après le Big Bang. L’astronomie des ondes gravitationnelles demarre seulement. C’est difficile parce que les signaux sont tres faibles, c’est frustrant souvent parce que l’on connait mal les sources, mais l’enjeu est a la mesure de l’effort fourni. IR GRBs