Superfulgur

La rumeur des ondes gravitationnelles...

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Un article passionnant de mon point de vue : 

"Testing the No-Hair Theorem with GW150914"

Maximiliano Isi, Matthew Giesler, Will M. Farr, Mark A. Scheel, and Saul A. Teukolsky

Phys. Rev. Lett. 123, 111102 – Published 12 September 2019

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.111102

https://arxiv.org/abs/1905.00869

 

Petite traduction libre du communiqué de l'APS :

https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.123.111102

 

Citation

 

Un regard neuf sur les données de la première fusion de trous noirs détectée confirme le théorème No-Hair et prouve le potentiel de la spectroscopie des trous noirs.

 

Un trou noir résultant de la fusion de deux trous noirs plus petits, existe pendant les premières millisecondes dans un état perturbé ou excité. 

Au fur et à mesure que la géométrie du trou noir se stabilise, il émet un type d'onde gravitationnelle dont le profil contient des informations sur sa masse, son spin et, en principe, sa charge électrique. 

La relativité générale prédit que ces quantités suffisent à elles seules à décrire un trou noir: il n’y a pas d’autres caractéristiques distinctives. On dit que le trou noir n'a pas de «cheveux» (No-Hair Theorem).

 

Maximiliano Isi du Massachusetts Institute of Technology à Cambridge, et ses collègues du California Institute of Technology de Pasadena, et du Flatiron Institute de New York, ont testé le No-Hair Theorem par une approche appelée spectroscopie de trou noir, grâce à une nouvelle analyse des premières ondes gravitationnelles détectées (connues sous le nom de GW150914).

 

Des études antérieures avaient supposé que la dynamique du signal gravitationnel immédiatement après une fusion était trop complexe pour être analysée en raison d'importantes distorsions non linéaires de la dynamique de l'espace-temps. 

Les chercheurs ont toutefois constaté que cette "sonnerie" précoce du trou noir peut être décrite par une simple combinaison linéaire de modes oscillants amortis: le mode fondamental le plus long et au moins une harmonique à décroissance plus rapide. Si le théorème No-Hair est valide, il devrait contraindre les fréquences et les taux de décroissance de ces signaux à certaines valeurs.

 

L'analyse de l'équipe soutient le théorème, mais les auteurs suggèrent que la précision du test s'améliorera considérablement en analysant les futures fusions de trous noirs. 

 

La spectroscopie de trous noirs pourrait également un jour exclure la possibilité que ce que nous appelons les trous noirs soient en réalité des "imitateurs de trous noirs", des objets compacts, actuellement conjecturés, comme des étoiles à bosons ou des gravastars, sans horizon des événements. Leurs propriétés apparaîtront comme des déviations par rapport aux signatures de la "sonnerie" des trous noirs prédites par la relativité générale.

 

En gros, alors que le processus de fusion de trous noirs émet en lui-même des ondes gravitationnelles (celles usuellement détectées), le trou noir résultant est dans un état excité. La désexcitation du trou noir final, conduisant à un état plus stable de ce dernier, se traduit par une émission d'ondes gravitationnelles spécifiques et caractéristiques des propriétés du trou noir.

 

Je trouve fascinant de voir comment en quelques années à peine, on passe d'un rêve fou, détecter des ondes gravitationnelles, à un outil d'analyse fonctionnelle d'un objet mythique, le trou noir.

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C'est fascinant…

 

Par contre, je me demande si la traduction réelle de l'expression "BH have have no hair" c'est pas plutôt "les trous noirs n'ont pas de poils" ce qui serait un clin d'œil évident… L'expression, assez osée, m'a d'ailleurs toujours surpris.

 

Bon en même temps, les planétologues américains passent leur temps à dire "I dream of Uranus", alors…

 

 

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Il y a 2 heures, Superfulgur a dit :

Par contre, je me demande si la traduction réelle de l'expression "BH have have no hair" c'est pas plutôt "les trous noirs n'ont pas de poils" ce qui serait un clin d'œil évident… L'expression, assez osée, m'a d'ailleurs toujours surpris.

 

 

Malotru (du coup) !.. Mais je te comprend, comme tu voyages pas mal.. tu suis la voie d'Ulysse..

 

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Bon reportage, avec une bonne présentation des rétrospectives et perspectives d'observation (LISA), qui aurait toutefois pu être plus détaillée, par exemple aucune mention entre le rapport entre longueur des tranches et fréquence, ni les ondes ciblées par le projet.

 

Autres bémols, la vision germano-centrée d'une collaboration pourtant très américano-européenne, et quelques simplifications pouvant entraîner de mauvaises appréciations des concepts, comme la "simulation" du Big Bang avec l'explosion de galaxies  (grand classique !), ou la mention que le signal gravitationnel du Big Bang est "en route vers nous".

 

A voir tout de même !

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il y a 15 minutes, spectrahm a dit :

ou la mention que le signal gravitationnel du Big Bang est "en route vers nous".

 

Ben pourtant c'est le cas… Les signaux (qu'elles qu'ils soyent) du big bang sont continûment "en route vers nous", ils nous atteignent en permanence, d'une région de l'Univers où le BB a eu lieu il y a exactement 13.7 milliards d'années. Puis, 13.7 milliards d'années plus une seconde, plus deux secondes, plus trois secondes etc... Si l'Univers est très grand, voire si il est infini, nous recevrons le signal du BB éternellement.

 

 

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Tout à fait. Le problème est que le reportage conclut en expliquant (de mémoire) "Ce signal, quelque part, est en route vers nous, serons-nous prêts à temps pour le recevoir ?", avec une mise en scène peut être quelque peu trop sensationnelle. Cela peut laisser croire à un signal sporadique plutôt que permanent comme celui du CMB en millimétrique. Peut-être que le journaliste a extrapolé à partir des signaux de fusion de TN.

 

Soit, rien de méchant par rapport au public visé, mais cela entretient des conceptions erronées, tout comme le Big Bang visualisé depuis un "espace" extérieur donc impossible, et représenté comme une explosion lumineuse dont jaillit spontanément des galaxies toute faites, sans temps mort de recombinaison, réionisation etc.

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Tant que c'est encore dispo sur You Tube, je mets le documentaire ici :

 

 

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Il y a 2 heures, spectrahm a dit :

Cela peut laisser croire à un signal sporadique plutôt que permanent comme celui du CMB en millimétrique

 

Compris, tu as raison. 

 

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Il y a 3 heures, Superfulgur a dit :

Si l'Univers est très grand, voire si il est infini, nous recevrons le signal du BB éternellement.

Oui mais non, non ? Parce qu'en pratique plus le temps passe plus la longueur d'onde du signal augmente et son flux diminue.

Or l'éternité c'est long (surtout vers la fin)... Donc au bout d'un temps fini il ne sera plus possible de détecter quoi que ce soit venant de la recombinaison (en plus au bout d'un moment l'augmentation du redshift fera que le milieu interstellaire deviendra opaque au CMB si je ne m'abuse). Sous réserve de correction par les autorités compétentes, bien entendu.

Edited by PascalD
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Il y a 2 heures, PascalD a dit :

 (en plus au bout d'un moment l'augmentation du redshift fera que le milieu interstellaire deviendra opaque au CMB si je ne m'abuse)

 Je ne pense pas. On détecte des pulsars jusqu'à 150 MHz, donc le ciel est transparent jusque là (à comparer avec les 100 GHz du fond diffus : cela laisse aux distances le temps d'augmenter de 600 pour qu'on en arrive là ). En dessous de 10 ou 15 MHz, on risque effectivement d'avoir un soucis, mais très local puisqu'il vient uniquement de la haute atmosphère terrestre : c'est la coupure ionosphérique. Mais depuis la Lune par exemple, je ne vois pas ce qui pourrait empêcher la détection d'un rayonnement d'encore plus basse fréquence, si ce n'est la limite du flux, bien sûr.

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3 hours ago, dg2 said:

On détecte des pulsars jusqu'à 150 MHz

 

Plus bas encore, Jocelyn Bell a détecté le premier pulsar à 88MHz, et les réseaux LWA, LOFAR / NenuFAR savent les détecter jusqu'à la coupure ionosphérique. Les basses fréquences sont à la mode ces temps ci avec l’effervescence autour de la détection de HI primordial, ou tout de moins sa signature, et l'arrivée prochaine de SKA LFAA. Il faut dire que ce sont des bandes clés en cosmo observationnelle.

 

Avec des photons, z>13, et même déjà z>6 au delà de l'effet Gunn Peterson, ça calme, mais les ondes gravitationnelles permettront peut-être de remonter au delà du découplage matière-rayonnement, peut-être même jusqu'à la baryogenèse si le SNR est là. On est sur du redshift à 4 chiffres...

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Il y a 1 heure, spectrahm a dit :

Avec des photons, z>13, et même déjà z>6 au delà de l'effet Gunn Peterson, ça calme, mais les ondes gravitationnelles permettront peut-être de remonter au delà du découplage matière-rayonnement, peut-être même jusqu'à la baryogenèse si le SNR est là. On est sur du redshift à 4 chiffres...

Vous parlez surtout en usant d'un jargon que vous ne maîtrisez guère... La plupart des termes de votre phrase ont un sens, mais guère en rapport avec la discussion du moment.

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Je n'entendais pas susciter de confrontation, plutôt mettre en parallèle les progrès de l'observation du rayonnement électromagnétique comme des ondes gravitationnelles vers des fréquences de plus en plus basses et des signaux de plus en plus faibles, qui tendent à conforter que les limites de détection ne sont pas atteintes car continuellement repoussées. Ceci en écho à l'interrogation de PascalD.

 

Pour soutenir ce parallèle, la première onde gravitationnelle a été confirmée en 2015 en même temps que EDGES démarrait ses opérations en radio, et la question se pose naturellement de savoir où sera repoussée la limite du mesurable à de tels décalage vers le rouge. Obtenir un SNR de 25 en domaine optique avec des photons à 1eV est une chose, à 10e-8 eV, c'en est une autre et les limites de mise en oeuvre se font sentir.

Le parallèle s'arrête effectivement là, car vient ensuite l'opacité de l'univers primordial et donc l'intérêt des ondes gravitationnelles pour remonter au delà du rayonnement fossile, en admettant que d'autres messagers ne deviennent pas exploitables d'ici là.

 

Vous pardonnerez mon vernaculaire, n'ayant qu'un pied dans le métier, l'autre en Béotie.

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Un nouveau communiqué de LIGO/VIRGO : (en français)


https://www.ligo.org/science/Publication-GW190425/translations/science-summary-french.pdf


GW190425 : Le système binaire d’étoiles à neutrons le plus massif jamais détecté ?

 

La Collaboration Scientifique LIGO et la Collaboration Virgo peuvent aujourd’hui annoncer que, le 25 avril 2019, des ondes gravitationnelles émises par la fusion de deux astres compacts ont été détectées. Cet événement a été baptisé GW190425. LIGO pilote deux détecteurs d’ondes gravitationnelles, l’un à Hanford, dans l’État de Washington et l’autre à Livingston, en Louisiane. Au moment du signal GW190425, le détecteur LIGO-Hanford n’était momentanément pas en train de prendre des données, mais ce fort signal a été détecté par le détecteur LIGO-Livingston. Le détecteur Virgo, situé à Cascina en Italie, était lui opérationnel mais, à cause d’une sensibilité moindre et du fait que la source de GW190425 se trouvait probablement dans une région du ciel moins visible pour Virgo que pour LIGO-Livingston, le signal observé n’était au-dessus du seuil de détection que pour LIGO-Livingston. Les données de Virgo ont néanmoins servi pour la détermination des paramètres de la source de GW190425. La masse totale de ce système binaire a été mesurée entre 3,3 et 3,7 fois celle du Soleil. Etant donné cet intervalle de masses, le scénario le plus probable est que deux étoiles à neutrons sont entrées en collision à une distance approximative de 520 millions d’années-lumière. Toutefois, la masse de ce système binaire est significativement plus élevée que celles de tous les autres systèmes binaires d’étoiles à neutrons connus à ce jour.
 

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Le communiqué de presse, qu'on peut trouver ici :

https://tds.virgo-gw.eu/?content=3&r=16615

 

Et que je copie :

 

GW190425 : la fusion d’un système formé de deux astres compacts de masse totale environ 3,4 fois celle du Soleil

 

 

Aujourd’hui lundi 6 janvier 2020, la Collaboration Scientifique LIGO et la Collaboration Virgo annoncent la découverte du signal GW190425, la première détection d’ondes gravitationnelles rendue publique pour la troisième période de prise de données commune, O3.

Le 25 avril 2019, le réseau de détecteurs d’ondes gravitationnelles comprenant l’instrument européen Advanced Virgo situé en Italie et les deux détecteurs Advanced LIGO construits aux Etats-Unis ont détecté un signal baptisé GW190425. Après GW170817, c’est le second événement dont la source pourrait être une fusion de deux étoiles à neutrons. GW190425 a été enregistré à 10 heures 18 minutes et 5 secondes, heure de Paris ; environ 40 minutes plus tard, la Collaboration Scientifique LIGO et la Collaboration Virgo ont envoyé une alerte pour déclencher les observations de suivi par des télescopes.

« Nous avons observé un second signal compatible avec la fusion d’un système binaire d’étoiles à neutrons : c’est une confirmation importante de GW170817, l’événement qui a lancé l’astronomie multi-messagers il y a deux ans. La masse totale mesurée pour GW190425 est plus élevée que celle de toutes les binaires de ce type connues dans la Galaxie : cette observation a des conséquences astrophysiques intéressantes pour la formation de ce système », explique Jo van den Brand, porte-parole de la Collaboration Virgo et professeur à l’Université de Maastricht, au laboratoire Nikhef et à l’Université VU d’Amsterdam aux Pays-Bas. « La surprise, c’est que ce système est bien plus massif que ce à quoi nous nous attendions » renchérit Ben Farr, de l’Université d’Orégon aux Etats- Unis et membre de la Collaboration LIGO.

La source du système GW190425 se trouve à environ 500 millions d’années-lumière de la Terre. Elle est localisée dans une région du ciel environ 300 fois plus grande que celle obtenue pour le célèbre signal GW170817, dont la découverte a marqué le début de l’astrophysique multi-messagers avec ondes gravitationnelles. Cette différence est due au fait que le signal GW190425 n’a été observé avec un fort rapport signal sur bruit que dans un seul instrument : LIGO Livingston. Au moment de la détection, le détecteur LIGO Hanford ne prenait pas de données. Et le signal reconstruit dans les données de Virgo était faible – d’une part à cause de la sensibilité de ce détecteur, moins bonne que celle de LIGO Livingston, et d’autre part parce que les ondes gravitationnelles provenaient probablement d’une région du ciel à laquelle Virgo était peu sensible au moment de l’arrivée du signal sur Terre. Cette localisation moins précise rend très difficile la recherche de contreparties (signaux électromagnétiques, neutrinos ou particules chargées). Et d’ailleurs, contrairement

à GW170817, aucune contrepartie n’a été identifiée à ce jour. Néanmoins, les données de Virgo ont été utilisées dans la suite de l’analyse pour améliorer notre compréhension du phénomène astrophysique.

« Malgré l’écart entre les rapports signal sur bruit enregistrés par les différents instruments – dû à des différences connues de sensibilité et de couverture angulaire du ciel – cette nouvelle détection conjointe démontre encore une fois l’importance du réseau international d’interféromètres », ajoute Stavros Katsanevas, le directeur de l’European Gravitational Observatory (EGO), le laboratoire d’accueil du détecteur Advanced Virgo, situé près de Pise en Italie.

Il y a plusieurs hypothèses pour la source du signal GW190425. La plus probable est la collision de deux étoiles à neutrons mais le système qui a fusionné aurait pu également inclure un, voire deux, trous noirs – bien que des trous noirs assez légers pour correspondre aux masses mesurées pour GW190425 n’aient encore jamais été observés. Néanmoins, sur la seule base des données fournies par les ondes gravitationnelles, ces scénarios « exotiques » ne peuvent pas être écartés. La masse totale du système binaire a été estimée à 3,4 fois celle du Soleil. En supposant que la source de GW190425 soit une fusion de deux étoiles à neutrons, ce système aurait été très différent de ceux que l’on connaît dans notre Galaxie et dont la masse totale varie entre 2,5 et 2,9 fois celle du Soleil. Le système initial d’étoiles à neutrons dont GW190425 serait issu pourrait donc s’être formé différemment.

« Après la surprise des premiers résultats, nous avons analysé avec soin les données en utilisant des modèles analytiques robustes, basés sur la théorie de la relativité générale d’Einstein, pour l’émission d’ondes gravitationnelles par le système de deux étoiles à neutrons », explique Alessandro Nagar de la section INFN (« Istituto Nazionale di Fisica Nucleare ») de Turin en Italie. « Au bout de plusieurs mois de travail, nous avons finalement obtenu un bon niveau de compréhension pour cet événement. Bien qu’ils aient été prédits par des travaux théoriques, des systèmes binaires lourds comme celui dont la fusion aurait pu produire le signal GW190425 peuvent être invisibles aux observations électromagnétiques. »

« Bien que nous n’ayons pas observé l’astre formé par cette fusion, nos simulations numériques, basées sur la théorie de la relativité générale, prédisent que la probabilité qu’un trou noir se soit formé immédiatement après la collision est très élevée, de l’ordre de 96% », complète Sebastiano Bernuzzi, chercheur à l’université d’Iéna en Allemagne.

 

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Et une vidéo :

 

 

 

 

Cette vidéo montre la simulation de la relativité numérique d'une fusion binaire d'étoiles à neutrons compatible avec la source du signal GW190425, détectée par le réseau mondial de détecteurs d'ondes gravitationnelles LIGO-Virgo le 25 avril 2019. Les deux étoiles à neutrons ont des masses de 1,75 et 1,55 fois la masse solaire, ce qui correspond aux valeurs médianes de l'analyse du signal, et sont initialement à une séparation orbitale de 45 km. La vidéo est composée de deux parties, toutes deux montrant les dernières orbites des étoiles à neutrons, puis leur collision, suivie de l'effondrement rapide du reste dans un trou noir. La première visualisation se concentre sur la dynamique de la matière de l'étoile à neutrons dans la région centrale de champ fort ; les masses volumiques les plus élevées (en bleu) sont au-dessus des densités nucléaires, les surfaces blanches apparaissant plus tard se rapprochent de l'horizon du trou noir. L'encart du bas montre la partie réelle du mode dominant de l'onde gravitationnelle émise au loin. La deuxième partie, un zoom arrière de la même simulation, montre la propagation des ondes gravitationnelles émises loin de la source. La surface codée en couleur montre la courbure (scalaire de Weyl) sur le plan orbital.

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