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juillet 2017 | septembre 2017

Ondes gravitationnelles et théories de la gravitation

Réseau de pulsars millisecondes (PTA)

La chronométrie d’un réseau de pulsars ultra-stables fonctionne comme un détecteur galactique géant pour observer les ondes gravitationnelles dans le domaine du nanoHertz. Trois consortia européens (EPTA en Europe, NANOGRAV en Amérique du Nord, PPTA en Australie) sont actuellement en compétition, fournissant les premières contraintes sur l’émission gravitationnelle provenant de la population de trous noirs binaires super-massifs (entre 108 et 1010 masses solaires) au coeur des galaxies en fusion, ou d’un réseau de boucles de cordes cosmiques. Pour la première fois les limites obtenues guident les théoriciens vers de nouveaux et meilleurs scenarii d’émission gravitationnelle.

Dans les années à venir, la priorité sera mise sur l’analyse des sources de bruit : scintillation et variation de la dispersion par le milieu interstellaire, bruit stochastique de variation du profil d’émission (« jitter noise »), et caractérisation du bruit instrumental par techniques de cross-spectrum habituellement utilisées en métrologie temps-fréquence. Pour ce dernier aspect, on s’appuiera en particulier sur les données simultanées acquises avec le réseau phasé LEAP/EPTA des 5 grands radiotélescopes européens (collaboration F. Vernotte et al, Obs de Besançon). Ces étapes fines d’analyse seront indispensables pour traquer les variations de l’ordre de quelques dizaines de nanosecondes qui se superposent au signal gravitationnel attendu. Une autre voie de développement sera la recherche de sources individuelles d’ondes gravitationnelles en tirant parti à la fois de la sensibilité à haute fréquence (10-7-10-6 Hz) fournie par la haute cadence d’observation du NRT et de l’existence de sondages multi-longueurs d’onde des quasars et galaxies à noyaux actifs.

Le programme PTA mobilise 2300 heures de radiotélescope par an au NRT (60 pulsars millisecondes avec une cadence moyenne d’une observation par semaine) et est soutenu à la fois par le PNCG, le GRAM, le PNHE, l’AS SKA-LOFAR et l’action transverse GPhys de l’Observatoire de Paris.

La chronométrie d’un réseau de pulsars est la seule technique pour détecter les ondes gravitationnelles dans le domaine compris entre le nHz et le μHz, en particulier la signature des trous noirs binaires super massifs. Le NRT fournit des données de très haute qualité (les meilleures d’Europe) et très haute cadence (4 fois mieux que le reste du monde) et n’aura pas de réel concurrent avant l’avènement de SKA1 (2022), ce dernier étant toutefois limité à l’hémisphère Sud (en dessous de 30° de déclinaison).

Pulsars binaires et tests GR

Avec des périodes orbitales de quelques heures, les systèmes binaires compacts pulsar/naine-blanche ou pulsar/étoile-à-neutrons sont des laboratoires naturels pour tester les théories de la gravitation en champ fort. Pour les systèmes les plus intéressants, la précision de chronométrie obtenue avec les meilleures mesures radio permet en effet en quelques d’années de mesurer l’ensemble des paramètres orbitaux, képleriens et post-képleriens. Outre la mesure précise des masses des deux composantes, très utile pour tous les modèles de structure interne des étoiles à neutrons, on évalue ainsi pour ces systèmes : la précession orbitale, les paramètres de l’effet Shapiro, le redshift gravitationnel, le rétrécissement de l’orbite par émission d’ondes gravitationnelles. L’effet Shapiro est par exemple mesuré à mieux que 0,05% près avec le système du pulsar double PSRJ0737-3039. Dans quelques rares cas, on mesure également la précession géodétique due au couplage spin/orbite, on place des limites supérieures intéressantes sur le rayonnement gravitationnel dipolaire issu du couplage entre champ scalaire et champ vectoriel (cas de binaires très asymétriques), et sur les variations de la constante de gravitation.

Le Grand Radiotélescope Décimétrique de Nançay (NRT) est l’un des rares instruments au monde capable de fournir la qualité et la cadence de données nécessaires pour ce type d’application, notamment pour échantillonner correctement la phase orbitale de ces systèmes. En plus des données PTA, environ 500 heures de télescope par an sont dédiées spécifiquement à ces études, avec le suivi de 90 systèmes doubles.

Tests en physique fondamentale : gravitation avec LISA

La région centrale des galaxies abrite un Trou Noir Super Massif (TNSM). La mesure de l’activité d’accrétion des TNSM nous renseigne sur leur population et environnement stellaire. En particulier, la capture d’un objet compact de 10-100 masses solaires (cas d’un EMRI, pour Extreme Mass Ratio Inspiral) par un TNSM est détectable grâce aux ondes gravitationnelles produites, mais uniquement par interférométrie spatiale à laser. L’objet compact peut alors être considéré comme une sonde du champ gravitationnel du TNSM, ce qui en fait une source idéale pour les tests en gravité forte. La connaissance de l’allure du signal gravitationnel, affecté par la force propre (l’ensemble de la réaction de radiation due à l’émission des ondes et de la contribution non radiative due au rapport des masses), est impérative pour que la détection soit réalisée, car contrairement aux binaires de masses comparables, les orbites sont extrêmement complexes (forte excentricité, changement du plan orbital, résonances, zooms et tourbillons, couplages etc.). L’objet compact est modélisé comme une particule massive de taille infinitésimale, ce qui permet de négliger sa structure interne mais introduit la difficulté de régulariser les divergences.

À Orléans, nous avons en outre développé une nouvelle stratégie pour le calcul des formes d’ondes émises pour tous types d’orbites dans la géométrie de Schwarzschild-Droste et analysé les techniques de régularisation pour l’effacement des divergences. Nous avons également étudié l’évolution orbitale itérative (le mouvement de la petite masse est continuellement corrigé par la force propre) à travers la réalisation d’un code numérique parallèle (système d’équations intégro-différentielles aux dérivées partielles du deuxième ordre, par modes - harmoniques sphériques tensorielles - dans le domaine temporel) et déterminé l’équation du mouvement et la déviation géodésique.
Trois autres sujets d’étude sont : a) la possibilité de détecter les mêmes binaires de trous noirs supermassifs avant avec les pulsars et après avec LISA de manière séquentielle ; b) les théorèmes sur l’entropie et le problème à deux corps, soit Newtonien que Einsteinien ; c) la pédagogie autour du principe d’équivalence et de l’unicité de la chute en physique classique et en relativité générale, des rayonnements gravitationnel et de Hawking.

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