身体的

引力波以仔细审查宇宙

Einstein计划的引力波的存在毫无疑问是诱捕物理学家。他们已经计划用它来观察宇宙的星星。

ÉricGourgoulon. 对于Science N°326
本文保留用于科学用户
我们对宇宙的了解是主要的 通过 电磁波及其相关的肉植物,光子。 Asstromets在电磁谱的所有区域观察到电磁波,无线电波到伽马射线,通过红外,可见光,紫外线和X射线。这个纯粹的光子天文学只有两个例外:宇宙射线(大多是质子和电子)和中微子来自太阳或超新星1987a。然而,这种情况将在未来几年发生变化,随着引力波的天文学。 1918年由Albert Einstein预测,在出版他的一般相对论理论之后,引力波是电磁波的任何其他性质的。这些是扰乱时空结构的波浪。我们是什么意思?我们将如何检测到它们?什么意思?

由于我们正在谈论时空的波浪,让我们首先描述后者的结构。我们知道空间有三个维度。与爱因斯坦,也是HenriPoincaré和赫尔曼Minkowski在非常开始 XX.e 世纪,我们学会了数学上的空间和时间,以形成四维空间。在一般相对性的时刻,它不存在,如牛顿空间,绝对时间:给定观察者的两个同时事件不一定是另一个。持续时间和长度成为相对数量,这取决于观察者与他观察到的现象相关的运动。这些惊人的属性已经存在于受限的相对性中,这是爱因斯坦理论的第一个版本,这只涉及统一运动的动画存储库。一般相对性,其考虑了任何存储库的变化,是一种描述着勇的理论。限制相对性的平坦空间时间由弯曲的空间时间代替:在空间时间的每个点处与曲率相关联,其重力显示为表现的几何幅度。

因此,根据一般相对性的核心思想,身体的运动直接由空时空的几何形状确定,而不是通过后者外部的力来确定。在给定点中,时空曲率越强烈,引力场更为强烈。现在,在牛顿时空相反,一般相对性的时空是动态的:曲率在时间和空间中变化,因为它取决于物质的分布及其运动。在给定的地方,曲率能够突然和重复改变,也就是说振荡:我们谈论引力波。换句话说,这种波是在时空框架中传播的皱纹。因此,只有当我们可以谈论大约振荡(或扰动)大约曲率的平均值的振荡(或扰动),它才会谈到曲率平均值的平均值,这在地球附近几乎没有,其中重力场低。

时空振动时

如何生成引力波?我们指出,它们是时空动态的表现之一,也就是说,它对物质存在的反应及其运动。与电磁体的类比照亮了引力波的发射方式:在无线电天线内,电子振荡,即它们在一个方向上不断地加速,然后通过电场在另一个方向上。此外,通过磁场通过材料(制动加速度)或辐射(径向加速度)制动的任何带电粒子发射电磁波。因此,电磁波被带有加速度的颗粒发出。类似地,引力波被肿块发射,并且如电磁波,它们以光的速度传播。当通过宇宙现象进行巨大的肿块和加速度是巨大的,与中子恒星的情况一样,黑洞和二元恒星(脉冲星),透射波应该在很远的距离,特别是在地球上被感知。如何以及与什么乐器?

从实验性的角度来看,“时空振荡”是指改变时间流量和空间的感知。考虑两种孤立的任何互动,而不是在实验室中的引力和休息。距离 L 将它们分开是光从一个质量到另一个质量的课程时间乘以光速 (vs)。引力波的通过从一定数量的数量变化了这距离L与之成比例 L。比例因子是引力波的幅度,我们将注意到它 h。这个幅度很低,我们的感官无法访问:主要的宇宙源应该发出振幅的引力波 h = d de l'ordre de 10–21 - 十亿米和十亿公里之间的相同关系!

非常预期的探测器

没有在地球上检测到引力波。但是,我们已经有间接证据存在现象:1974年,美国射频天文学家约瑟夫泰勒(1993年诺贝尔物理奖)发现了一个中子的二进制系统 - 这是一个二元脉冲 - 它已经建立出来以引力辐射形式的能量。第一次引导引力波是在20世纪60年代的Joseph Weber的事实。这种美国物理学家建造了一种包括色调铝棒的探测器,该探测器应该在通道处周围振动其谐振频率。引力波。 Weber希望同时在几个探测器上,由引力波通过的信号引起的信号,这将允许它们与背景噪声(地震事件,各种振动等)区分开。不幸的是,这种类型的设备虽然在20世纪70年代恢复和改进,但没有导致检测。此外,在20世纪80年代,几个物理学家的努力通过另一种方法导向了通过另一种方法直接检测重力波。

它是关于什么的?在干涉仪中,来自相同源的两个发光射线(激光束)在两个臂的末端反射,通常正交。当它们回来并重叠时,它们产生干扰,其特性取决于每个光线行进的光路之间的差异。物理学家追求的想法是,引力波的通过不同地改变了每只臂的长度,从而发展干涉条纹。

五个巨大的干涉仪在这个原则上建立了:日本一个(t,300米的武器),两个在美国(利奥,4公里的武器)和两个在欧洲。德国 - 英国探测器 geo600 安装在汉诺威(600米武器)附近,而弗朗科 - 意大利探测器 处女座 靠近比萨(3公里的臂)。目前在校准和聚焦阶段,这些探测器逐渐发展朝着它们的标称灵敏度发展:它应该允许检测引力的幅度 h = 10–21 如果是简短的信号或幅度 h = 10–26 如果它以周期性信号为至少一年的形式。请注意,幅度为10–21 对应于仅限的变化 3 × 10–18 仪表在三公里上分离镜子 处女座。这种微小的修改给出了一种是重力波的技术挑战。

班级的干涉球 处女座 对10至1000赫兹之间的重力频率波敏感,频率对应于表征中子恒星和恒星黑洞动态的时间。除了巨大的干涉仪之外,意大利和美国有几个共振探测器,作为韦伯使用的酒吧,但更敏感,尤其致力于低温。酒吧还有一个相当窄的光谱带:它们的敏感性来自几十赫赫赫兹的几十赫兹。

访问较低的频率而不是可检测到的频率 处女座,如超大分离为黑洞的毫米特性,有必要将探测器放置在太空中,因为在地球地震噪声上禁止在该频率范围内进行任何检测。这是美国欧洲项目的起源 丽莎 :2012年,欧洲航天局和 美国宇航局 应该围绕太阳绕过三个卫星的系统,这将形成一个具有500万公里的武器的干涉仪,并且在0.1 mihertz和0.1赫兹之间的重力频率波是敏感的。

超过基本物理实验以测试一般相对论,上述探测器可以用作探测宇宙的望远镜。可以使用这些仪器观察的主要来源属于紧凑型对象的类。该术语是指引力场非常强烈的恒星,即其描述必须吸引一般相对论:它是黑洞,中子恒星(非常致密的星星,因为由中子形成),在较小程度上,白色矮人(恒定的恒星残留与太阳相似,但耗尽了它们的热核燃料)。

黑洞和中子恒星上的窗户

采取一个黑洞的例子,也就是说,一种恒星,其引力场如此强烈,即其表面的释放速度超过光的速度(因此黑洞名称:即使是光子也无法逃脱)。从理论的角度来看,引力波和黑洞之间存在一个亲密的联系。首先,黑洞扭曲了时空,就像引力波一样,但以极端的方式,而由于波浪引起的时空时间的改变是有限的。更重要的是,当黑洞处于激动的状态时,也就是说比其平衡更大的能量,它通过发射引力波来辐射能量。天体物理学称他“失去了他的头发”。在超新月的心脏形成之后,黑洞处于激动的状态,或者因为它吸收了材料。引力波发射是黑洞失去头发并达到静止平衡状态的唯一方法。注意,根据一个定理在20世纪70年代的定理由布兰登卡特,斯蒂芬·霍克灵和Werner以色列,一个静止的黑洞是一个极其光滑的“无毛”结构:两个参数,质量和动力学时刻,足以描述它。反对派,它需要一个描述一个明星的参数。

由于理论计算:对于十个太阳能质量的黑洞,众所周知,黑洞的重力波的形状是众所周知的:对于十个太阳能质量的黑洞,具有1.21千赫兹的准周期性波峰,其摊销于0,55毫秒。在Supernova爆炸过程中观察这种信号可能表明形成黑洞并测量其质量。

超出过渡信号,如上所述,类型的检测器 处女座 应该接收永久信号。特别地,我们认为旋转中子星自身发出的周期性引力辐射,并且对于其旋转轴线不会完全对称。这种不对称可以是由于磁场(在脉冲条件的情况下特别强烈),在新形成的中子星(超新星)的情况下或累积材料的情况下的星形的形状或流体动力学不规则性(二进制系统发出X射线)。

最有可能的引力波来源 处女座 应该捕获是紧凑型物体二进制系统的两个合作伙伴的聚结(合并),例如两个黑洞或两个中子恒星。通过发出引力波,二元系统失去能量。这转化为两个物体的求解,描述螺旋。两颗星末结束合并并形成一个黑洞。当仍然相对较远时,发射的引力波几乎周期性,其频率等于轨道频率的双倍。由于两个物体都越来越近,波浪的频率和幅度增加。在所谓的Postnewton近似的通用相对性的上下文中,聚结的该第一阶段非常良好地描述。当两个紧凑型物体的距离与其尺寸相当,需要采用Einstein方程的数字计算机分辨率。这些计算由世界上的几个群体进行,包括我们在巴黎梅隆天文台。他们尚未完成。

我们目前观察到轨道的紧缩的r. hulse和J. Taylor的二元脉冲星的两颗星中子恒星将合并约1.4亿年;然后,它们会发出引力波闪光。此类事件在星系中非常罕见(大约每10万年);然而, 处女座 可以在其他星系中检测到距离7500万光年的距离,为二星中中子的合并和第十几个群众太阳能的两个黑洞3亿光年。团队 处女座 因此,预计每年检测一些事件 - 应该在当前正在研究的第二代干涉式检测器达到每天活动的频率。

观察两个紧凑型物体的聚结会将为天体物理学家带来许多信息。观察到的事件率将为大规模恒星的演化方案提供限制。信号形状的分析在其准周期性初始阶段将直接确定与事件的距离。知道这是一个宇宙学距离,这将测量哈勃常数,也就是说宇宙扩张的速度。更多,如果 丽莎 检测超大分离的黑洞的聚结,非常远,将在原始宇宙中的星系的形成情况下获得约束。今天它确实知道,大多数星系包括我们的星系,在它们内含有超大的黑洞(几百万到几亿太阳能群众),因此超大分离的黑洞的聚结会是星系的融合。

第二种类型的聚结是非常有趣的:两个非常不对称的物体,即超大分离的黑洞和恒星黑洞(或中子星)。如果未来的干涉仪 丽莎 检测由这种事件发出的引力波一年,这对应于螺旋轨道的约10万圈,信号分析将提供由超迹黑洞变形的空间时间的详细映射。通过比较这一时空与一般相对论理论预测的那个时空,我们将获得我们宇宙中黑洞存在的最终证明。

天文学的历史表明,每次我们都设置了一种新型的探测器(无线电话,卫星X和伽玛等),我们发现了未经用的来源,我们对宇宙的理解是丰富的。引力波检测器不应逃脱此规则。他们将在宇宙中打开一个新的窗口,窗户从1918年开始导致...

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