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Cognard IsmaëlLPC2E-CNRS Orléans, [email protected]érence 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...
pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique
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 ...
pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique
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)
pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique
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)
pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique
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
pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique
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
pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique
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.
pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique
En Relativité Générale ...
les 5 paramètres post-Képleriensles plus importants s'expriment selon :
pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique
Observations du pulsar double PSR J0737-3039A
à Nançay
Effet Shapiro
pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique
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
pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique
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)
pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique
Un détecteur complémentaire
un PTAest sensible auxtrès basses fréquenceset est complémentaireaux détecteurstype LISA ou VIRGO
pulsars – observations – chronométrie - gravitation – fond cosmologique
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