`Pulsars et Gravitation` faite le 10 Août 2005 - Lpc2E
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Pulsars et Gravitation Ismaël Cognard Chargé de Recherche LPCE / CNRS Orléans [email protected] PLAN le décor les pulsars radio la chronométrie et ses applications la gravitation conclusion PLAN le décor les pulsars radio la chronométrie et ses applications la gravitation conclusion Notre galaxie La galaxie M82 Des milliards de galaxies... PLAN le décor les pulsars radio la chronométrie et ses applications la gravitation conclusion 1967... http://lanturluland.free.fr/ Sous la responsabilité de son directeur de thèse, Anthony Hewish, la jeune étudiante Jocelyn Bell étudie la scintillation des sources extragalactiques et découvre... les puls Jocelyn Bell à Cambridge Enregistrement d'un pulsar en novembre 1967 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. avec un champ magnétique, l'étoile à neutrons émet deux faisceaux radio... comme un phare au bord de la 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 n 1968 : Pacini et Gold font le lien entre l'étoile à neutron, le champ magnétique et l'observation d'un faisceau radio en rotation Les pulsars dans la Galaxie Les pulsars dans la Galaxie Galaxie M51 Distribution des périodes de pulsars ? Diagramme période-dérivée de la période ? Recyclage d'un pulsar diagramme période-dérivée de la période (ou diagramme ''Hertzsprung-Russell'' des pulsars) ''naissance'' ''vie'' ''mort'' recyclage PLAN le décor les pulsars radio la chronométrie et ses applications la physique conclusion 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 En principe, c'est simple... mesure heure de départ de l'observation temps d'arrivée Dispersion introduite par la composante ionisée du Milieu Interstellaire Observation du pulsar PSR B1713+07 avec le NBPP (96 canaux de 1.5MHz entre 1288 et 1432MHz) Associée à la scintillation, la dispersion provoque des effets systématiques sur les temps d'arrivée... Scintillation lors d'une observation du pulsar milliseconde PSR 1937+21 16x4=64MHz 56x30s=28mins Les instruments de chronométrie des pulsars à Nançay NBPP 1998-2003 Chronométrer nécessite une horloge précise de référence et une instrumentation spéciale pour intégrer le signal DDS 1988-... BON 2004-... dédisperseur PULSAR cohérent BON (Berkeley-Orléans-Nançay) installé à Nançay 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 2.4.2 ''optimisé'' 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) 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 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 Fond d'ondes gravitationnelles d'origine cosmologique fond d'ondes gravitationnelles 10-32 seconde inflation fond d'ondes electromagnétiques (3K radio) 300 000 years émission accélération - décelération d'ondes gravitationnelles cordes cosmiques vibrantes Terre Détection d'ondes gravitationnelles par chronométrie des pulsars 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 PLAN le décor les pulsars radio la chronométrie et ses applications la gravitation conclusion 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 ! 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 diminution de la période orbitale retard Shapiro décalage gravitationnel dw/dt dP/dt g r, s 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. En Relativité Générale, les 5 paramètres post-Képleriens les plus importants s'expriment selon : diminution de la période orbitale observé sur le pulsar PSR B1913+16 découvert en 1974 Hulse &Taylor Prix Nobel de Physique 1993 retard Shapiro observé sur le pulsar PSR J1909-3744 similaire à : Décembre 2003 un système double d'étoile à neutrons est découvert : PSR J0737-3039A Deux étoiles à neutrons visibles comme pulsars 0737-3039A 22.7ms 0737-3039B 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 Impulsions individuelles 0737-3039B est visible sur une partie de l'orbite seulement entre 195 et 230° et on voit 0737-3039A dans le fond 30 secondes d'éclipse du pulsar A par la magnétosphère de B Kaspi et al. ApJ 613 (2004) L137 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 Tests des théories de la gravitation Formalisme regroupant toutes les théories de la Gravitation ou chaque point (b'b'') est une théorie différente PLAN le décor les pulsars radio la chronométrie et ses applications la physique conclusion 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 [email protected] http://lpce.cnrs-orleans.fr/~icognard/
