nouvelles fenêtres sur lunivers daniel bertrand 21/01/2005
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Nouvelles fenêtres sur l’universDaniel Bertrand21/01/2005
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
Journée de contact enseignants du secondaire. 25/01/2005 D. Bertrand 3
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 !
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