Ondes gravitationnelles (AS GRAM)

OBSERVATIOND’ONDESGRAVITATIONNELLES
DELAFUSIONDEDEUXTROUSNOIRS
TaniaRegimbau
pourlaCollaborationScienti4iqueLIGOetlaCollaborationVirgo
SF2A,LYON,14/06/2016
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NousavonsdétectédesOndesGravita@onnelles!!
14Septembre2015à09:50:45UTC
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1.3milliardsd’annéesplustôt
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Plan
•  Introductiongénéralesurl’astronomiegravitationnelle
•  Lapremièredétectiondelafusiondedeuxtrousnoirs
•  Implicationsenastronomie,cosmologieetphysique
fondamentale
•  Etensuite?
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L’Universobservé
•  Presquetoutcequel’onconnaîtdel’Universnous
vientdesondesélectromagnétiques.
•  L’Universobservéreprésenteunefaiblefractionde
soncontenu(matièrenoire,énergienoire)
•  Lefonddiffuscosmologique300,000ansaprèslebig
bangmarquelafrontièredel’Universobservé.
•  Aujourd’huiunenouvellefenêtrevientdes’ouvrir
aveclesondesgravitationnelles!
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Astronomiedesondesgravita@onnelles
•  Les OG sont des perturbations de l’espace-temps créées par l’accélération non
symmétriquedemassesoupardeschampsnonstationnaires.
•  LesOGsontproduitesdansdesconditionsextrêmesdevitesseetdecompacité(étoilesà
neutrons,trousnoirs)
•  LesOGsepropagentàlavitessedelalumière.Interactionfaibleaveclamatière.
•  Le pulsar binaire découvert par Hulse et Taylor en 1974 est la première preuve de
l’existencedesOG(TayloretWeisberg).
•  Le16Septembre2015,premièredétection“directe”parAdvLIGO.
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Effetsdesondesgravita@onnelles
•  LesOGmodi4ientlastructuredel’espace-temps.
•  UneOGpassantentredeuxmasseschangeladistance
entreelles.
•  Enalternance,ilyacontractionetélongationdansdes
directionsperpendiculaires.
•  Fusiondedeuxétoilesàneutronsdansl’amasdeVirgo
−21
h
=
δ
l
/l
~10
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Interferométrielaser
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Leréseaudedétecteurs
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Ladécouverte
arXiv:1602.03840
•  Premièredétection``directe’’d’uneondegravitationnelle
Maisaussi:
•  Premièreobservationdirected’untrounoir.
•  Premièreobservationdirected’unsystèmebinairedetrousnoirs.
•  PreuvequecessystèmespeuventfusionnerpendantletempsdeHubble.
•  Evénementastrophysiqueleplusénergétiquejamaisobservé.
-  ~3massessolairesen~0.2s
-  Aumaximumdel’emission:3.61056erg/s!
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Coalescencededeuxtrousnoirs
• 
• 
• 
• 
8cyclesentre35et150Hz.
Vitesserelativeatteint~0.6c.
Séparationdequelquescentainesdekm
Mesure de la masse totale (>70 M¤) et de la
``chirpmass’’(30M¤)àpartirdumaximumde
lafrequenceetdeladérivéedelafréquence.
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Recherchegénérique
arXiv:1602.03843
•  Hypothèsesminimalessurl’origineoulaformedusignalgravitationnel.
•  Identi4icationd’unexcèsdepuissancedansleplantemps/fréquence,en
coïncidencedanslesdonnéesdesdeuxdétecteurs.
•  Laformed’ondereconstruiteestconsistanteavecunsignalgravitationnel
commundanslesdeuxdétecteurs(multidetectormaximumlikelihood)
•  Lastatistiquededétectiontientcomptedurapportsignalàbruitetdela
cohérenceentrelessites:
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Recherchedecoalescencesdebinaires
arXiv:1602.03839
•  Le signal gravitationnel est très bien modélisé dans le cadre des théories postnewtoniennes (phase spirale), des théories perturbatives (ringdown), et de la
relativiténumérique(fusion).Laméthodeoptimaleestcelledu4iltreadapté.
•  Calcule du ``match-4ilter SNR’’ pour chaque ``template’’ et chaque détecteur
(adéquationde90%)
•  Sélectiond’évènementsencoïncidencedanslesdeuxdétecteurs(délais<15mspour
lemême``template’’).
•  Tests d’adéquation entre les données et le ``template’’ (chi-squared, goodness of 4it)
permettentdesupprimerlesvaleursélevéesduSNRduesaubruitnongaussien.
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Filtreadapté
CreditChadHanna
250,000templates
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Degrédesignifica@on
•  Tauxauquellebruitdudétecteurproduitdesévènementsavecune
statistiquededétectionsupérieureàcelleducandidat(background)
•  Dif4iculté:pasde``nullstream’’,bruitnonstationnaireetnonGaussien.
•  Techniquesde``time-shift’’pourproduiredenouveauxéchantillons
•  Surestimationdubackground(OGtoujoursprésente)
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Générique:4.6σ(FAR=1/22,500ans,FAP<2E-6)
Filtreadapté:5.1σ(FAR=1/203,000ans,FAP<2E-7)
LVT151012
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Qualitédesdonnées
•  DétecteursstablespendantplusieursheuresautourdeGW150914(pasde
vetoe).
•  Sensibilitémoyenneet``background’’typiquesdelapériodetotaleanalysée
(12/09/2015-20/10/2015)
•  Etudeexhaustivedesbruitsinstrumentauxetenvironnementaux(magnétiques,
fréquencesradio,acoustiques…)
•  Etuded’autressourcesdebruit(activitéhumaine,météo,avions…)
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GW150914versusBlip
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Reconstruc@ondusignal
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Es@ma@ondesparamètres
arXiv:1602.03840
•  Méthodesbayésiennes(MarkovChain,Nestedsampling)
8paramètresintrinsèques(masses,spins)9paramètressupplémentaires
(coordonnéescélestes,distancedeluminosité,orientation,tempsetphasede
coalescence).
•  Bonnescontraintessurlesmasses
•  Mesuredeladistancedeluminositémaispasduredshift.
•  Mauvaiselocalisationdansleciel(600deg2)partriangulation.Amélioration
avecVirgod’unfacteur10.
•  Taux:2-400Gpc-3yr-1(avantGW150914:0.1-300Gpc-3yr-1)
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Interpréta@onastrophysique
arXiv:1602.03846
Massesdestrousnoirs(m1=36M¤andm2=29M¤)supérieuresauxmasses
mesuréesLMXRBs(M<20M¤).
•  Scénariod’évolution:
-  Formesdansunenvironnementpeumétallique(ventsolaireetpertede
momentangulaireréduits).
-  Binaireisoléeaveccourtoulongdélais.
-  Oucapturedynamiquedansunenvironnementdense(ségrégationde
masse).
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Dvorkinetal.2015
Belzcynskietal.2010
B
a
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TestsdelaRela@vitéGénérale
arXiv:1602.03847
•  Premierstestsenchampsfort
-Formesd’ondesretrouvéessontenaccordaveclesprédictionsdelaRG(~94%)
-Massesetspinsmesuresdutrounoir4inalenaccordaveclesvaleurscalculéesavecla
RG.
-Premièrescontraintesdynamiquessurlessériespost-newtonniennes.
-Constraintessurlamassedugraviton(oulongueurd’ondecompton)
Ψ eff ( f ) = Ψ( f ) − β f −1 + φ g + τ g f
β = π D / λg2 (1 + z)
•  AucuneévidencedeviolationdelaRG
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TestsdelaRela@vitéGénérale
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TestsdelaRela@vitéGénérale
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Fondstochas@que
arXiv:1602.03841
Lasuperpositiondessystèmesdetrousnoirsnonrésolusformentunfond
gravitationnelquipourraitêtredétectépardestechniquesdecross-correlationavant
quelasensibiliténominalenesoitatteinte.
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Etensuite?
Beaucoup d’autres détections sont attendues avec d’importantes conséquences en
physique fondamentale, astrophysique et cosmologie. (nous avons publié l’analyse de
~1/3deO1pourdesmasses<100M¤)
•  TestsdeRGenchampfort
•  Distributiondelamassedestrousnoirsetsonévolutionavecleredshift
•  Evolutiondesétoilesmassives
•  Energienoire
•  Astronomiemultimessager
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ExtraSlides
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Ar@cles
Detection:http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.116.061102
https://www.ligo.caltech.edu/page/detection-companion-papers
LIGO-P1500237:GW150914:TheAdvancedLIGODetectorsintheEraofFirstDiscoveries
LIGO-P1500229:Observinggravitational-wavetransientGW150914withminimalassumptions
LIGO-P1500269:GW150914:FirstresultsfromthesearchforbinaryblackholecoalescencewithAdvancedLIGO
LIGO-P1500218:PropertiesofthebinaryblackholemergerGW150914
LIGO-P1500217:TheRateofBBHMergersInferredfromAdvancedLIGOObservationsSurroundingGW150914
LIGO-P1500262:AstrophysicalImplicationsoftheBinaryBlack-HoleMergerGW150914
LIGO-P1500213:TestsofgeneralrelativitywithGW150914
LIGO-P1500222:GW150914:Implicationsforthestochasticgravitational-wavebackgroundfrombinaryblackholes
LIGO-P1500248:CalibrationoftheAdvancedLIGOdetectorsforthediscoveryofBBHmergerGW150914
LIGO-P1500238:CharacterizationoftransientnoiseinAdvancedLIGOrelevanttoGWsignalGW150914
LIGO-P1500227:Localizationandbroadbandfollow-upofthegravitational-wavetransientGW150914
LIGO-P1500271:High-energyNeutrinofollow-upsearchofGWEventGW150914withIceCubeandANTARES
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AdvancedLIGOaumomentdeGW150914
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CoalescencerateofstellarBBHs
•  Numberoftriggers(Poissonprocess)
•  Detectionvolumedependsondetector
sensitivityandsourceparameters.
•  Assumeuniformdistributionincomovingvolme
(smalldistances)
•  Rateestimate:2-400Gpc-3yr-1
•  BeforeGW150914:0.1-300Gpc-3yr-1(Abadieet
al.2010)
arXiv:1602.03842