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La constante universelle de gravitation

La constante gravitationnelle, ou constante universelle de gravitation, ou constante de Newton, ou pour des raisons historiques constante de Cavendish est notée "G" symbole introduit en 1885.
G=6.67384×10^-11 m^3 kg^-1 s^-2

Cette constante physique fondamentale apparaît aussi dans les lois qui en découlent (lois de Kepler, Newton, etc.) ainsi que la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, et bien sur les ondes gravitationnelles.

D'après Newton, la gravitation est une force d'attraction entre deux corps massifs qui, d'une part, est directement proportionnelle au produit de leur masse et, d'autre part, est inversement proportionnelle au carré de la distance qui sépare leur centre de masse respectif :

[G] =  = M^-1·L³·T^-2

Il est préférable de la penser :


Quand on compare les quatre forces fondamentales (force de gravitation, force électromagnétique, force faible, force forte), il apparaît que la force de gravitation est de très loin la plus faible de toutes. Par exemple, la force de gravitation entre un électron et un proton séparés par un mètre vaudrait environ 10^-67 newton, tandis que la force électromagnétique entre les deux mêmes particules à la même distance vaudrait environ 10^-28 newton, c'est-à-dire 39 ordres de grandeur (ou 10^39 fois) plus importante.

In 2013, a group of researchers working out of France took the measurement of the gravitational constant, using the same machine that they’d used some 2 years earlier. Improvements were made on the machine to improve the sensitivity and give a more accurate result. The machine, which uses two independent methods to calculate the constant, averages the results of the two. This, in theory, should help reduce systematic errors. What did they find? A different result!
https://futurism.com/the-gravitational-constant-is-it-really-constant/

La rigidité de l'espace-temps

La formule du quadrupôle obtenue par Albert Einstein a été publié en 1916.

La petitesse du facteur

  
en latex:
2 G/c^4 \approx 1,65 \times 10^{-44} \rm \; m^{-1} \cdot kg^{-1} \cdot s^2
traduit la grande rigidité de l'espace-temps.
Il faut la compenser par de grandes variations du moment quadrupôlaire pour produire des ondes gravitationnelles détectables.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Onde_gravitationnelle
Ceci a plusieurs conséquences importantes. Les systèmes dont la dynamique est à symétrie sphérique (sphère en expansion ou en contraction) ou à symétrie cylindrique (disque en rotation sur son axe) n'émettent pas d'ondes gravitationnelles puisque leur moment quadrupolaire reste constant.
Il faut par exemple un système de double sphère:

Modélisation des orbites d'un système binaire, de la phase spiralante, 

jusqu'à la coalescence.

les ondes gravitationnelles

Intro

une onde gravitationnelle est une perturbation actuellement pensée comme une oscillation de la courbure de l'espace-temps qui se propage à grande distance de son "point" de formation à la vitesse de la lumière.

Albert Einstein a prédit l'existence des ondes gravitationnelles en 1916 : selon sa théorie de la relativité générale qu’il venait de publier, de même que les ondes électromagnétiques (lumière, ondes radio, rayons X, etc.) sont produites par les particules chargées accélérées, les ondes gravitationnelles seraient produites par des masses accélérées et se propageraient à la vitesse de la lumière dans le vide. Cependant, la réalité des ondes gravitationnelles a été longuement débattue.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Onde_gravitationnelle

découverte publiées le 16 octobre 2017

C'est une découverte majeure à plus d'un titre. Les scientifiques de la collaboration LIGO-Virgo (dont le CNRS est membre) ont observé pour la première fois des ondes gravitationnelles émises lors de la fusion de deux étoiles à neutrons, et non de deux trous noirs comme dans les cas précédents. Autre première : cette source d'ondes gravitationnelles émet de la lumière, observée dans les heures, jours et semaines qui suivirent grâce à la contribution de 70 autres observatoires sur Terre et dans l'espace. Cet ensemble d'observations marque l'avènement d'une astronomie dite « multi-messagers ».
Une moisson de résultats en est issue : d'une solution à l'énigme des sursauts gamma et à celle de l'origine des éléments chimiques les plus lourds – comme le plomb, l'or ou le platine –, en passant par l'étude des propriétés des étoiles à neutrons ou par une mesure indépendante de la vitesse d'expansion de l'Univers. 
Une dizaine d'articles scientifiques publiés le 16 octobre 2017 détaillent ces différents aspects. Ils sont signés par de nombreux chercheurs de laboratoires du CNRS (plus de 200 pour l'une des publications), membres de la collaboration LIGO-Virgo ou de groupes d'astronomes partenaires.
C'est une aventure hors du commun qui a démarré, le 17 août 2017 à 14 heures 41 minutes (heure de Paris), par l'observation d'un signal d'ondes gravitationnelles d'un type nouveau. Cette fois, le signal détecté est bien plus long que dans le cas de la fusion de trous noirs (une centaine de secondes contre une fraction de seconde), signe que les deux objets qui finissent par fusionner sont différents de ceux détectés jusqu'à présent. L'analyse détaillée des données indiquera que les masses des deux objets sont comprises entre 1,1 et 1,6 fois la masse du Soleil, ce qui correspond à celles des étoiles à neutrons. 

Les étoiles à neutrons sont des vestiges d'étoiles massives. Une étoile géante meurt en explosant, donnant ainsi naissance à une supernova. Ce phénomène extrêmement lumineux ne dure que quelques jours à quelques semaines : une fois l'explosion terminée, il ne reste plus qu'un cœur très dense composé presque uniquement de neutrons – une étoile à neutrons. Celle-ci a la taille d'une ville comme Londres, mais une petite cuillère de sa matière pèse environ un milliard de tonnes : les étoiles à neutrons sont les étoiles les plus petites et les plus denses connues à ce jour. Tout comme les étoiles ordinaires dont elles sont issues, certaines évoluent en couple. Elles orbitent alors l'une autour de l'autre et se rapprochent lentement en perdant de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles – un phénomène qui finit par s'accélérer jusqu'à la fusion. Si ce scénario était prédit par les modèles, c'est la première fois qu'il est confirmé par l'observation.

Presque au même moment et de manière indépendante, le satellite Fermi de la Nasa enregistre un sursaut gamma – un flash de rayonnement très énergétique – et lance immédiatement une alerte automatique. Si ce type de flash est relativement fréquent (il s'en produit presque chaque semaine en moyenne), celui-ci a la particularité d'être détecté environ 2 secondes après la fin du signal d'ondes gravitationnelles, indiquant un lien fort entre ces deux événements. Par ailleurs l'analyse des données de Fermi indique une origine spatiale de 1100 degrés carrés compatible avec la localisation par les détecteurs Virgo et LIGO. Le sursaut gamma est également observé par le satellite Integral de l'Agence spatiale européenne (ESA). Ces observations confirment qu'au moins une partie des sursauts gamma courts sont produits par la fusion d'étoiles à neutrons.

La naissance d'une nouvelle astronomie

En parallèle, cette source est localisée dans le ciel en exploitant les temps d'arrivée et l'amplitude des signaux mesurés dans les trois détecteurs d'ondes gravitationnelles (les deux détecteurs de LIGO aux États-Unis et celui de Virgo en Europe). La zone ainsi déterminée, qui couvre environ 30 degrés carrés dans la constellation de l'Hydre de l'hémisphère austral, est des dizaines de fois plus restreinte que celle établie par Fermi. Elle est communiquée à près de 90 groupes d'astronomes partenaires pour qu'ils pointent leurs instruments dans cette direction. Douze heures plus tard, le groupe 1M2H utilisant le télescope américain Swope au Chili annonce la découverte d'un nouveau point lumineux dans la galaxie NGC 4993, située à 130 millions d'années-lumière de la Terre. Très rapidement, ce résultat est confirmé par d'autres télescopes de manière indépendante. A leur suite, de nombreux autres instruments réalisent des observations, dont ceux de l'ESO au Chili, ou le télescope spatial Hubble.

Cette zone est alors scrutée sans relâche et les premières analyses des spectres lumineux montrent qu'il ne s'agit pas d'une supernova mais d'un type d'objet encore jamais observé, constitué de matière très chaude qui refroidit et dont la luminosité décroît rapidement – d'où une course contre la montre pour l'observer avant qu'il ne s'estompe.

Selon les modèles, la matière éjectée par la fusion de deux étoiles à neutrons est le siège de réactions nucléaires aboutissant à la formation de noyaux atomiques plus lourds que le fer (comme l'or, le plomb, etc.), grâce à l'abondance de neutrons. Cette matière très chaude et radioactive se disperse alors, émettant de la lumière dans toutes les longueurs d'onde, initialement très bleue puis rougissant au fur et à mesure que la matière refroidit en se dispersant. Appelé kilonova, ce phénomène jusqu'ici uniquement prédit par la théorie est ainsi confirmé de manière convaincante. On a donc observé ce qui est sans doute le principal processus de formation des éléments chimiques les plus lourds de l'Univers !

Outre la confirmation que les fusions d'étoiles à neutrons produisent des sursauts gamma courts, la première détection non ambiguë d'une kilonova et la preuve que les éléments lourds de l'Univers sont formés lors de ce processus, cet ensemble d'observations permet également de mieux comprendre la physique des étoiles à neutrons et d'éliminer certains modèles théoriques extrêmes. Il permet aussi de mesurer d'une nouvelle manière la constante de Hubble, décrivant la vitesse d'expansion de l'Univers. Ces résultats, qui couvrent des disciplines variées (physique nucléaire, astrophysique, cosmologie, gravitation), illustrent le potentiel d'une astronomie naissante, s'appuyant sur plusieurs types de messagers cosmiques (les ondes gravitationnelles, les ondes électromagnétiques comme la lumière ou les rayons gamma, et peut-être un jour les particules telles que les neutrinos ou les rayons cosmiques). Ils sont détaillés dans une dizaine de publications dont l'une est l'œuvre de plusieurs milliers de chercheurs regroupés en une cinquantaine de collaborations.

constante de Hubble

La dimension de la constante de Hubble est celle de l'inverse d'un temps. Elle décrit donc le taux d'expansion de l'univers à un instant donné donc pas constante...

il est d'usage de l'exprimer en kilomètres par seconde par mégaparsec (km/s/Mpc ou km⋅s-1⋅Mpc-1), sous la forme suivante :

,

H_0=100\,h\,\mathrm{km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}},

où h est le taux d'expansion.

Une valeur de 70 km/s/Mpc pour la constante de Hubble signifie qu'une galaxie située à 1 mégaparsec (environ 3,26 millions d'années-lumière) de l'observateur s'éloigne du fait de l'expansion de l'univers (et donc hors effet d'un mouvement propre de l'objet, négligeable à très grande distance) à une vitesse d'environ 70 km/s. Une galaxie située à 10 Mpc s'éloigne à une vitesse de 700 km/s, etc.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Constante_de_Hubble

La sphère de Hubble

https://fr.wikipedia.org/wiki/Volume_de_Hubble

La collaboration LIGO-Virgo

Virgo est un instrument installé près de Pise, construit il y a un quart de siècle par le CNRS en France et l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie. Les chercheurs travaillant sur Virgo sont regroupés au sein de la collaboration du même nom, comprenant plus de 280 physiciens, ingénieurs et techniciens appartenant à 20 laboratoires européens dont 6 au CNRS en France, 8 à l'INFN en Italie et 2 à Nikhef aux Pays-Bas. Les autres laboratoires sont MTA Wigner RCP en Hongrie, le groupe POLGRAW en Pologne, un groupe à l'université de Valence (Espagne) et EGO (European Gravitational Observatory), où est implanté l'interféromètre Advanced Virgo, financé par le CNRS, l'INFN et Nikhef.

LIGO est financé par la NSF, et piloté par Caltech et le MIT, qui ont conçu LIGO et dirigé le projet LIGO initial ainsi que la transition vers des détecteurs de deuxième génération, Advanced LIGO. Le financement du projet Advanced LIGO est assuré par la NSF, avec des contributions importantes de l'Allemagne (Max Planck Gesellschaft), du Royaume-Uni (Science and Technology Facilities Council) et de l'Australie (Australian Research Council). Plus de 1 200 scientifiques du monde entier participent à cet effort au sein de la collaboration LIGO, qui comprend la collaboration GEO et la collaboration australienne OzGrav. Les autres partenaires sont recensés sur la page http://ligo.org/partners.php.

Ondes gravitationnelles

Lorsque des objets massifs se déplacent dans l'espace-temps, la courbure de l'espace-temps s'ajuste pour refléter le changement de la position de ces objets. Sous certaines circonstances, les objets accélérés peuvent produire une perturbation de l'espace-temps qui s'étend et se propage de manière analogue à « des vagues à la surface de l'eau ». On désigne par onde gravitationnelle  ce type de perturbation, et on prédit qu'elles se propagent à la vitesse de la lumière. Ces ondes sont inexistantes dans la théorie newtonienne qui suppose une propagation instantanée de la gravitation.

L'analogie entre des charges électriques en mouvement et des masses en mouvement permet de mieux appréhender le phénomène : de la même manière que l'accélération de particules chargées produit des ondes électromagnétiques, l'accélération de particules possédant une masse produit des ondes gravitationnelles. La plupart des théories de gravité quantique postulent l'existence d'une particule élémentaire correspondant appelé le graviton, de façon analogue à l'électrodynamique quantique dans laquelle le vecteur de la force électromagnétique n'est autre que le photon. Le graviton est associé à l'onde gravitationnelle, les caractéristiques de cette dernière donnent de précieuses informations sur cette particule. Cependant, même après la mise en évidence des ondes gravitationnelles, l’existence du graviton reste hypothétique.

Ref

http://www2.cnrs.fr/presse/communique/5253.htm