chronométrie des pulsars rapides au radiotélescope de … · cognard ismaël lpc2e-cnrs orléans,...

Cognard IsmaëlLPC2E-CNRS Orléans, icognard@cnrs-orleans.frConférence publique, Bureau des Longitudes, 4 novembre 2009

Chronométrie des pulsars rapidesau radiotélescope de Nançay

Plan

les Pulsarsl'observation radio à Nançayla chronométrieles théories de la Gravitationle fond cosmologique

pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique

L'équipe pulsar à OrléansI.Cognard CR1G.Desvignes ThésitifR.Ferdman PostdocG.Theureau AA

1967...

pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique

Enregistrement d'un pulsar en novembre 1967 Jocelyn Bell à Cambridge

Sous la responsabilité de son directeur de thèse, Anthony Hewish,la jeune étudiante Jocelyn Bell étudie la scintillation des sourcesextragalactiques et découvre...

les pulsars !

1967...

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Mort d'une grosse étoile et naissance d'une étoile à neutrons !

Une étoile massive (~10 soleils)explose violemment à la fin de sa vie,

c'est le phénomène de SUPERNOVAdont le résidu est une étoile à neutrons.

pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique

Le pulsar... une étoile à neutrons avec un champ magnétique

l'étoileémet deux

faisceaux radio

comme un phare au bord de la mer !

pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique

Distributiondes périodesde pulsars

?

pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique

DiagrammePériode – Dérivée

de la période

recyclage

pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique

Recyclage d'un pulsar

pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique

Les pulsars dans la Galaxie

Projection Aitoff Coordonnées Galactiques

pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique

Une stabilité de rotation exceptionnelle ...

... des applications scientifiques en nombre !

- étude des théories de la Gravitation- recherche d'un fond d'ondes gravitationnelles d'origine cosmologique- évolution stellaire- structures et turbulence dans le milieu interstellaire- amas globulaires et potentiel gravitationnel de la Galaxie- contraintes sur les éphémérides du système solaire- détection de planètes extra-solaires- physique de l'émission des pulsars ...- stabilité à long terme des échelles de temps- raccordement des repères célestes (équatorial et écliptique)

pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique

(Lorimer & Kramer, 2004)

un grand radiotélescope

L'observation des pulsars

une horloge stable

une instrumentationspéciale

les pulsars radio sont des objets de faibles flux...il faut intégrer un maximum en temps et en fréquence

pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique

Un grand radiotélescope

Nançay(en Sologne)

surface collectrice 8000m2 équivalent à 100m1.1-3.5GHzTsys 35K1 heure suivi/jour

pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique

Dispersion dans le milieu interstellaire

DM=3.139 pc.cm-3

---

1

28M

Hz

@1.

4GH

z

--

-

retard = k DM / f2

DM :Dispersion Measure

contenuélectroniqueintégré surla ligne devisée

pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique

1988 oscillateur balayé (co 8MHz)~ 0.5μs PSR B1937+21

1996 batterie de filtres NBPP (inco 120MHz)Navy Berkeley Pulsar Processor

2004 dédisperseur cohérent BON (co 64-128MHz)Berkeley Orleans Nancay

2008 GPU cohérent BON (co 128MHz)

oscillateur balayé

NBPP

Une longue histoire d'instrumentations diverses ...

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Dédispersion cohérente

le retard introduit par la dispersion dans le milieu interstellaire ionisépeut être vu comme un filtre de phase

la dédispersion cohérenteapplique la fonction de transfert inverse à la dispersiondirectement dans le domaine fréquenciel de la forme d'ondeFFT + multiplication + FFT-1 (+overlap)

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Une instrumentation à base de GPU

Juin

200

8

1 carte-mèreSupermicro X7DWA-N

2 CPUsquad-core Xeon

E5420 (2.5GHz, 12MB cache)4 GB mémoire2 PCI-CDa DMA interface (for EDT)2 GeForce 8800GTXet un refroidissement à eau

+ CUDA librairies + CUFFT (Nvidia)

ce système est capablede traiter une bande passantede 128MHz en temps réel(soit 512Mo/s ou 1 CD/s)

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2Gb/s en provenancedu spectromètre Serendip5

OUTPUT sur disque qqs kB/s

le flux de données

Avril 2008, prototypesans le refroidissement à eau

2x1Gb/s

 2x1Gb/s

 2x4Gb/s

 2x4Gb/s 2x2kB/s

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Détermination simple d'un Temps d'Arrivée (ToAs)

départ de l'observation

chercher un point particulier(le maximum par exemple)

le décalage par rapportau temps de départ de l'observationpermet d'obtenir le ToA

PSR J1600-3053 P=3.6ms, binaire

pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique

construire un 'modèle', c'est soit - version lissée

d'une des observations - somme de sinus/cosinus - intégration cohérente

d'un grand nombre d'observations

cross-corréler le 'modèle' avec les observations quotidiennes fournit un décalage converti en un ToA

un 'point de référence'est choisisur le 'modèle'

la position du premier échantilloncorrespondant au départ de l'observationest prise en compte

Détermination sophistiquée d'un ToA

pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique

un modèle de propagation des ondes radio dans le MISet un ensemble de paramètres du pulsar

permettent de calculer des temps d'arrivée théoriques...

l'ajustement des paramètrespermet de minimiser les différences (ou résidus)

ToAs MESURES – ToAs CALCULES

l'inspection des résidus de ToAspermet de s'assurer qu'aucun effet n'a été oublié...

Analyse des Temps d'Arrivée

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transfert au barycentre (repère quasi-inertiel)

ralentissement de la période du pulsar

Un glitch sur un pulsar recyclé

Cognard & Backer, 2004

un à-coupde rotationde 3nHz(Δν/ν~10-11)sur le pulsarPSR B1821-24

le premier et toujoursle seul 'glitch'vu sur un pulsarrecyclé

pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique

Pulses géantssur le pulsar du Crabe

quelques pulsars présententla particularité d'émettrede temps à autreUNE impulsion très étroitebien plus intenseque la moyenne (≥1000x) :

ce sont les pulses géants !

le mécanisme d'émissionn'est pas encorecomplètement compris...

mais c'est un outil fabuleuxpour étudier le milieu interstellaire(impulsion étroite et unique)

pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique

Le mouvement orbital est décrit par5 paramètres Képleriens :

demi-grand axe projeté a.sin(i)ellipticité epériode orbitale Porbangle du périastre ωdate du périastre Tpa

Système double d'étoiles à neutrons

les masses des deux étoiles ne sont pas accessibles !

deux étoiles à neutrons dont l'une est vue comme pulsar

pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique

Des effets relativistes ...

les paramètres post-Képleriens :avance du périastre dω/dtdiminution de la période orbitale dP/dtretard Shapiro r, sdécalage gravitationnel γ

Comme, dans le système binaire, il reste les deux masses à déterminer,alors

toute mesure de 3, ou plus, paramètres post-Képlerienspermet de tester les théories de la Gravitation.

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En Relativité Générale ...

les 5 paramètres post-Képleriensles plus importants s'expriment selon :

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Observations du pulsar double PSR J0737-3039A

à Nançay

Effet Shapiro

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Diagramme masse-massedu pulsar PSR J0737-3039A

Dans le cadre de laRelativité Générale,on peut tracerles contraintesapportées par chaqueparamètresur les massesdes 2 étoiles à neutrons

mA= 1.3378(7)mB= 1.2495(7)

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300 000 years10-32 seconde

fond d'ondeselectromagnétiques (3K radio)

fond d'ondesgravitationnelles

inflation

accélération - décelérationcordes cosmiques vibrantes

émissiond'ondes gravitationnelles ⇒

Fond d'ondes gravitationnelles d'origine cosmologique

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Terre

Pulsar

Détection d'un fond d'ondes gravitationnelles par chronométrie des pulsars

Espace-tempsdéformé parl'ondegravitationnelle

Détecter un fond d'ondes gravitationnelles,c'est chercher un bruit de temps d'arrivée

corrélé entre plusieurs pulsarscela passe par la mise en commun

des mesures de temps d'arrivéeet l'organisation en réseau :Pulsar Timing Array (PTA)

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Un détecteur complémentaire

un PTAest sensible auxtrès basses fréquenceset est complémentaireaux détecteurstype LISA ou VIRGO

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Sensibilité aux sources individuelles

PSR J1909-3744 rms 109ns

PSR B1937+21rms 387ns

PSR J1713+0747rms 350ns

PSR J1600-3053rms 576ns

Cinq pulsars parmiles plus stables à Nançay

PSR J1744-1134rms 343ns

pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique

pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique

Nançay est un acteur majeur

du réseau européen EPTA(European Pulsar Timing Array)en cours de fusion avecle réseau mondial IPTA(International Pular Timing Array)qui se met en place pour rassemblerles mesures les plus précises

avant corrélationet recherche de la signatured'un fond cosmologiqued'ondes gravitationnelles

Nançay est un acteur majeur

du réseau européen EPTA(European Pulsar Timing Array)en cours de fusion avecle réseau mondial IPTA(International Pular Timing Array)qui se met en place pour rassemblerles mesures les plus précises

avant corrélationet recherche de la signatured'un fond cosmologiqued'ondes gravitationnelles

pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique

Hobbs G., IPTA

Détectabilité d'un fond d'OG avec les réseaux de PTA

pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique

Conclusion

Les pulsars millisecondes les plus stables

sont des outils uniques pour tester les prédictions les plus extrêmesdes théories de la gravitation (en champ fort)

seront peut-être les premiers à remonter de l'information mesurabledes tous premiers instants de l'Univers

Pour cela... il faut garder en fonctionnement des radiotélescopes(certes un peu agés, mais qu'il faut continuer à soutenir).

Précession géodétique

le pulsar J1906+0746présente des changementsde la forme de son impulsioninterprétés par une modificationde l'intersection du cône d'émissionprovoquée par de la précession géodétique

des masses en mouvement emettent des “ondes gravitationnelles”

les déformations de l'espace se propagentavec le mouvement des masses