Nouvelles fenêtres sur lunivers Daniel Bertrand 21/01/2005.

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Nouvelles fenêtres sur l’univers Daniel Bertrand 21/01/2005

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Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 2

Domaines d’observationE = h.h = 6,626 10-34 J.s

2,7°K = 3.73 10-23 J

1 eV = 1,602 10-19 JSpectre électromagnétique

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Surprises en astronomie EM1608 Galilée découvre les lunes de Jupiter (télescope optique destiné à la navigation)

1929 Hubble met en évidence l’expansion de l’univers (spectromètre destiné à l’observation de nébuleuses)

1932 Jansky découvre les radio-galaxies (en cherchant l’origine du bruit dans des émissions radio)

1960? Des militaires observent des bouffées Gammas (En espionnant des explosions thermonucléaires sur terre)

1965 Penzias & Wilson observent le rayonnement à 3°K (en tentant d’éliminer le bruit dans l’observation de radio-galaxies)

1965 Giacconi et col. Découvrent des étoiles à neutrons (en observant les émissions en rayon X du soleil et de la lune)

1967 Hewish & Bell découvrent les pulsars (en étudiant la propagation des ondes radio dans l’ionosphère)

1543 Copernic propose le système héliocentrique

1992 Le satellite COBE fournit les premières données sur les fluctuations du rayonnement à 3°K

2002 Le satellite WMAP fournit des données précises sur la densité de matière et d’énergie de l’univers

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ObservationInfra rouge

Visible Rayons X Gammas

Bouffées Gammas

Coordonnées galactiques

Radio

Crédit NRAO / AUI / NSF

Micro ondes

?Neutrinos?

Ondes gravitationnelles

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Evolution

Inflation(Big Bang plus10-34 secondes)

Big Bang plus380.000 ans

Big Bang plus13,7 milliards années

présent

Les ondes gravitationnelles peuvent provenirde l’origine de l’univers

Onde électromagnétique

Onde gravitationnelle

Noyaux légers(Big Bang plus 1 seconde)

neutrinos

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Le découplage rayonnement matière Température compatible avec formation d’atomes

3000°Kl’équilibre rayonnement matière est rompu

Les photons cessent d’interagir avec les électrons libres Impossible de « voir » au-delà de la surface de dernière

diffusion Longueur d’onde du rayonnement « étirée » par

l’expansion de l’univers E ~1/R

La densité de matière décroît en 1/R3

La densité de rayonnement décroît en 1/R3 (géom.)x1/R(éner.)=1/R4

Au moment du découplage: fluctuations de densité de matière Certains photons restent « prisonniers » plus longtemps Ils constituent des points chauds Ces fluctuations sont restées figées Elles valent actuellement entre 10-4 et 10-6 degrés K Leurs corrélations dépendent de la densité de matière et de la

densité d’énergie Des expériences embarquées dans des ballons ou des

satellites artificiels ont permis de les mesurer

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WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)

Lancé en juin 2001 Refroidissement passif Instruments de mesure à

différentes fréquences Précision absolue 4µ°K

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WMAP positionné au point de Lagrange L2

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Les points de Lagrange

2s

2 2s s sGmmGM m

Dv

rrmD r

2

2

32 D

M m GMm

DT 2

G

vG v

D D D

M GMD

s 3

D rv

DGM

Vitesse terre

Période rotation

Vitesse satellite

r = 1.502.000 km

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WMAP mesure le ciel complet en 6 mois

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Mesures à différentes fréquences

150 300 450 600

GHz

23 GHz

94 GHz 61 GHz

41 GHz

33 GHz

Soustraction du rayonnement galactiqueSpectre du corps noir

Correspondance parfaite !

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Corrélation des points chauds et froids

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Univers euclidien

0.01 % CMB

0.1 % (?) neutrinos

4 ± 1 % Matière ordinaire(0.02 % C, N, O, … Fe;

0.5 % étoiles;3.5 % gaz chauds

66 ± 6 %Energie noire

29 ± 4 %Matière noire froide

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Voir plus loin dans le temps…

Propagation de déformations de l’espace-temps

Similaire à une onde électromagnétique mais pas de charge

Déformation de l’espace transversalement à la direction de propagation: contraction dans une direction, expansion dans la direction orthogonale

Observation ? Evénements cataclysmiques A des distances « raisonnables » Appareils de très haute sensibilité Parfaitement isolés de leur environnement

Les ondes gravitationnelles

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Evidence

17/sec

8 h

Pulsar binaire de Hulse-Taylor : PSR 1913 +16

Distance ~ 21.000 al

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- - -

- - -

+ +

+

+ +

+

Intensité du signalD’où vient la difficulté d’observation ?

Amplitude relative h = L/L2

2 2

GM vh

rc c Potentiel Newtonien de la source

(masse M; distance r) divisé par cEnergie cinétique de la source

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Exemple : système binaire d’étoiles à neutrons

Masse ~ 3x1030 kg ~ 1,4 Msolaire; Diamètre 10 km

Distance orbitale minimale ~ 20 km

Energie potentielle:

Fréquence de rotation f(100 km) ~ 100 Hz f(20 km) ~ 1 kHz

Distance: 50 Mal (amas de la Vierge) ~6 x 1024 m

h ~ 10-18 sur 100 km déplacement de 10-

13m !!

246GM

E 3x10 Jr

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LIGOHanford (Washington)

Livingston (Louisiane)

Instrument : Interféromètre de Michelson

2out inP P sin (2k L)

Pour augmenter la sensibilité àL donné utiliser des GRANDS L

L = 4 km

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Propagation lumière - Isolation sismique !

• Suspensions actives avec boucles de rétroaction• Miroirs : Masses libres à une fréquence propre de 100Hz• masse : 10,7 kg; diamètre 25 cm

• Tubes: 1,24 m diamètre• Vide: 10-9 torr

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Sensibilité

Variation en fréquence lors de la coalescence d’un système binaire

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Futur : LISAPositionné au point L5

L = 5.106 km

Compensation pour les perturbations• externes (pression électromagnétique du soleil; effets gravitationnels résiduels du système solaire)• internes (action des champs électriques de l’instrumentation sur les masses tests)

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Un nouveau messager : Le neutrino Troisième « corps » de la désintégration

Ne subit que l’interaction faible Ont pu être émis dès la première seconde

de l’univers Indirectement produits lors d’interactions

p de protons accélérés dans les ondes de choc d’événements cataclysmiques: explosion de supernovae coalescence de systèmes binaires

en p e

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Radiation Cerenkov Vitesse de la particule > vitesse de la lumière

ct

n

ct

c

l

part

cVitesse de la lumière : v

nn : indice de réfraction (1.33 pour l'eau)

cv c>

n

1ccos

n

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Principe de détection

Effet Cerenkov :n=1.33; c 41°

Les photons Cerenkov sont détectés par une matrice de photo-multiplicateurs

Les traces sont reconstruites par analyse statistique basée sur le temps d ’arrivée des photons.

+ N µ + X

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La base Scott-Amundsen

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Module Optique

“Up-going”(de l’hémisphère nord)

“Down-going”(de l’hémisphère sud)

AMANDA-II19 Chaînes677 modules optiques

AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array)

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Première carte du ciel austral

En dessous de l’horizon : principalement bruit de fond

Au dessus de l’horizon: principalement neutrinos atmosphériques

391 jours de prise de données(2000-2001)959 événements465 en dessous de l’horizon

Pas d’é

vidence

de d

irect

ion d’é

mission p

rivilé

giée

DéviationsstandardsEcarts par rapport au bruit de fond

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Augmentation de la sensibilité: IceCube

Secteur “isolé”

AMANDA

Dôme

Piste d’envol

Pôle sud

Position prévue à 1km “ouest”

“Nord”

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Le détecteur IceCube

• 80 chaînes• Séparation 17 m entre modules optiques• 125 m entre chaîne• Optimisé pour intervalle énergie [TeV-PeV(EeV)]

• 160 réservoirs de glace (2/chaîne)• Cylindre: diamètre 2 m; hauteur 0.9 m• 2 modules optiques/réservoir

IceCube

Station du pôle sudCouche de neige

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Réservoir IceTop avec superstructure au pôle sud – Nov 2003

Vue des modules optiques

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Système de forage (janvier 2005)

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Conclusions L’astronomie « électromagnétique » est

limitée Temps: Découplage photon-matière Distance: Absorption et interaction

De nouvelles voies sont ouvertes… Ondes gravitationnelles Neutrinos

Mais le chemin est difficile Signaux de faible amplitude Bruit de fond important

Place à l’imagination des expérimentateurs !