Chargé de Recherche LPCE / CNRS Orléans

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1 Chargé de Recherche LPCE / CNRS Orléans
Pulsars et Gravitation Ismaël Cognard Chargé de Recherche LPCE / CNRS Orléans

2 PLAN le décor les pulsars radio la chronométrie et ses applications la gravitation conclusion

3 PLAN le décor les pulsars radio la chronométrie et ses applications la gravitation conclusion

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5 Notre galaxie

6 La galaxie M82

7 Des milliards de galaxies...

8 PLAN le décor les pulsars radio la chronométrie et ses applications la gravitation conclusion

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10 Sous la responsabilité de son directeur de thèse, Anthony Hewish,
la jeune étudiante Jocelyn Bell étudie la scintillation des sources extragalactiques et découvre... les pulsars! Jocelyn Bell à Cambridge Enregistrement d'un pulsar en novembre 1967

11 Mort d'une grosse étoile...
...naissance d'une étoile à neutrons ! Une étoile massive (~10 soleils) explose violemment à la fin de sa vie, c'est le phénomène de SUPERNOVA dont le résidu est une étoile à neutrons.

12 avec un champ magnétique,
l'étoile à neutrons émet deux faisceaux radio... comme un phare au bord de la mer !

13 1934 : Baade et Zwicky proposent que ce soit l'explosion
Historique 1934 : Baade et Zwicky proposent que ce soit l'explosion de grosses étoiles qui produisent le phénomène de supernovae, le résidu serait alors une ''étoile à neutrons'', le neutron vient d'être découvert 1967 : Pacini établit qu'une étoile à neutrons en rotation avec un champ magnétique produirait suffisamment d'energie pour ''éclairer'' la nébuleuse d'après supernovae 1967 : Bell et Hewish découvrent des sources radio dont ils reçoivent des impulsions rapides et régulières pulsations d'étoiles naines ? 1968 : Pacini et Gold font le lien entre l'étoile à neutron, le champ magnétique et l'observation d'un faisceau radio en rotation.

14 Les pulsars dans la Galaxie

15 Les pulsars dans la Galaxie
Galaxie M51

16 Distribution des périodes de pulsars
?

17 Diagramme période-dérivée de la période
?

18 Recyclage d'un pulsar

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20 diagramme période-dérivée de la période
(ou diagramme ''Hertzsprung-Russell'' des pulsars) ''naissance'' ''vie'' ''mort'' recyclage

21 PLAN le décor les pulsars radio la chronométrie et ses applications la physique conclusion

22 Chronométrie des pulsars
Chronométrer, c'est mesurer les temps d'arrivée des impulsions radio reçues sur Terre. Il faut pour cela de grands instruments tels que... le Grand Radiotélescope de Nançay 4ème plus grand instrument au monde équivalent à une parabole de 100m

23 En principe, c'est simple...
mesure heure de départ de l'observation temps d'arrivée

24 Dispersion introduite par la composante ionisée
du Milieu Interstellaire Observation du pulsar PSR B avec le NBPP (96 canaux de 1.5MHz entre 1288 et 1432MHz)

25 Associée à la scintillation,
la dispersion provoque des effets systématiques sur les temps d'arrivée...

26 Scintillation lors d'une observation du pulsar milliseconde PSR 1937+21
16x4=64MHz 56x30s=28mins

27 chronométrie des pulsars à Nançay
Les instruments de chronométrie des pulsars à Nançay NBPP Chronométrer nécessite une horloge précise de référence et une instrumentation spéciale pour intégrer le signal BON DDS

28 dédisperseur PULSAR cohérent BON (Berkeley-Orléans-Nançay)
installé à Nançay

29 Le calculateur spécialisé du dédisperseur numérique
1 poste maitre bi-processeur Athlon 1.2GHz, 2Go de mémoire 77 noeuds bi-processeur Athlon 1.2GHz, 1 Go de mémoire, 10G disque réseau Gigabit (bande passante 32GBs) switch Cisco 6009 système d'exploitation Linux, kernel ''optimisé''

30 Analyser les temps d'arrivées,
c'est inspecter les résidus de temps d'arrivée Les résidus sont les différences entre des temps d'arrivée mesurés à un radiotélescope et des temps d'arrivée calculés à partir de paramètres de pulsar et des lois de la physique Glitch mars 2001 Première détection d'un glitch sur un pulsar recyclé milliseconde Cognard & Backer, ApJ 612, L125 (2004)

31 Stabilité à long terme des échelles de temps
les pulsars ''sont''/''peuvent être'' les meilleures horloges à long terme ma montre se décale d'une seconde par jour... sa stabilité est de 1 / 24x60x60 ~ 10-5

32 Pourquoi étudier les pulsars millisecondes? (... ou pourquoi mesurer les temps d'arrivée de leurs impulsions radio pendant des décennies) Fond d'ondes gravitationnelles Structures du milieu interstellaire Théories de la Gravitation Amas globulaires / Potentiel gravitationnel de la Galaxie Dynamique du Système solaire Stabilité à long terme des échelles de temps Astrométrie et repères célestes Planètes extra-solaires Physique des pulsars

33 electromagnétiques (3K radio)
Fond d'ondes gravitationnelles d'origine cosmologique fond d'ondes gravitationnelles fond d'ondes electromagnétiques (3K radio) 10-32 seconde years inflation accélération - décelération cordes cosmiques vibrantes émission d'ondes gravitationnelles Þ

34 Détection d'ondes gravitationnelles par chronométrie des pulsars
Terre Espace-temps déformé par l'onde gravitationnelle Pulsar Détecter un fond d'ondes gravitationnelles, c'est chercher un bruit de temps d'arrivée corrélé entre plusieurs pulsars

35 PLAN le décor les pulsars radio la chronométrie et ses applications la gravitation conclusion

36 Système double d'étoiles à neutrons, dont un pulsar.
Le mouvement orbital est décrit par 5 paramètres Képleriens : demi-grand axe projeté a.sin(i) ellipticité e période orbitale Porb angle du périastre w date du périastre Tpa les masses des deux étoiles ne sont pas accessibles !

37 et à l'intensité des champs gravitationels,
Grâce à la stabilité de rotation exceptionnelle des étoiles à neutrons, et à l'intensité des champs gravitationels, il est possible de détecter les effets relativistes, ce sont ... les paramètres post-Képleriens : avance du périastre dw/dt diminution de la période orbitale dP/dt retard Shapiro r, s décalage gravitationnel g Comme, dans le système binaire, il reste les deux masses à déterminer, alors toute mesure de 3, ou plus, paramètres post-Képleriens permet de tester les théories de la Gravitation.

38 En Relativité Générale, les 5 paramètres post-Képleriens
les plus importants s'expriment selon :

39 diminution de la période orbitale observé sur le pulsar PSR B1913+16
découvert en 1974 Hulse &Taylor

40 Prix Nobel de Physique 1993

41 retard Shapiro observé sur le pulsar PSR J1909-3744
similaire à :

42 Décembre 2003 un système double d'étoile à neutrons est découvert : PSR J A

43 Deux étoiles à neutrons visibles comme pulsars
A 22.7ms B 2.77s période orbitale 2.4h excentricité non nulle (0.088) vu par la tranche (i=88.7°) 4 paramètres post-Képleriens en 6 mois dérivée de w, dérivée de Pb, shapiro r, s

44 Impulsions individuelles
B est visible sur une partie de l'orbite seulement entre 195 et 230° et on voit A dans le fond

45 30 secondes d'éclipse du pulsar A par la magnétosphère de B
Kaspi et al. ApJ 613 (2004) L137

46 Dans toute théorie de la Gravitation, les paramètres post-Képleriens
produisent des contraintes sur les masses du système qui doivent etre cohérentes et s'intercepter en un point. Ici, par exemple, on choisit la Relativité Générale et on regarde les contraintes sur les masses apportées par toutes les mesures de paramètres post-Képleriens. C'est cohérent et on obtient : MA=1.338(1) MB=1.249(1)Mo

47 Tests des théories de la gravitation
Formalisme regroupant toutes les théories de la Gravitation ou chaque point (b'b'') est une théorie différente

48 PLAN le décor les pulsars radio la chronométrie et ses applications la physique conclusion

49 Les pulsars binaires, restes de l'explosion des plus grosses étoiles
permettent les tests les plus performants des différentes théories de la Gravitation existantes. La Relativité Générale d'Einstein s'en sort bien pour l'instant! Les mesures de temps d'arrivée sont effectuées avec les plus grands radiotélescopes du monde Ismaël Cognard