Les ondes gravitationnelles sont qualitativement différentes des autres détections.

Même si nous avons testé GR auparavant, il est toujours rassurant de trouver un tout autre test qui fonctionne aussi bien. Les tests les plus notables jusqu'à présent ont été le déplacement de l'orbite de Mercure, la déviation correcte de la lumière par des objets massifs et le décalage vers le rouge de la lumière se déplaçant contre la gravité. Dans ces cas, l'espace-temps est considéré comme statique (inchangé dans le temps, sans termes croisés espace-temps dans la métrique). Les ondes gravitationnelles, quant à elles, impliquent un espace-temps variable dans le temps.

Les ondes gravitationnelles fournissent une sonde de gravité à champ fort.

Les tests ainsi tout a été fait loin dans des situations faibles, où il faut mesurer les choses assez étroitement pour voir la différence entre GR et gravité newtonienne. Alors que les ondes gravitationnelles elles-mêmes sont une prédiction de la gravité linéarisée et sont l'essence même des petites perturbations, leurs sources vont être des environnements très extrêmes - fusionnant des trous noirs, des étoiles qui explosent, etc. les choses peuvent mal tourner entre nos modèles de ces phénomènes extrêmes et notre enregistrement d'un signal d'onde gravitationnelle, mais si le signal est en accord avec nos prédictions, c'est un signe que non seulement nous avons raison sur les ondes elles-mêmes, mais aussi sur les sources.

Les ondes gravitationnelles sont une nouvelle frontière en astrophysique.

Ce point est souvent oublié lorsque nous sommes tellement distraits en trouvant simplement n'importe quel signal. Trouver les premières ondes gravitationnelles n'est que le début des observations astronomiques.

Avec seulement deux détecteurs, LIGO par exemple ne peut pas mieux localiser les sources sur le ciel que «quelque part là-bas, à peu près».Finalement, à mesure que de plus en plus de détecteurs seront en ligne, l'espoir est de pouvoir mieux localiser les signaux, afin que nous puissions observer simultanément leurs homologues électromagnétiques.Autrement dit, si l'événement à l'origine des ondes est la fusion de deux étoiles à neutrons, on peut s'attendre à ce que beaucoup de lumière soit également libérée.En combinant les deux types d'informations, nous pouvons acquérir un peu plus de connaissances sur le système.

Les ondes gravitationnelles sont également efficaces pour sonder la physique dans les régions les plus secrètes et les plus obscures des événements cataclysmiques.Pour la plupart des explosions dans l'espace, tout ce que nous voyons maintenant est la rémanence - la coquille chaude et radioactive de matière laissée derrière - et nous ne pouvons qu'indirectement en déduire quels processus se déroulaient au cœur.Les ondes gravitationnelles offrent un nouveau moyen de mieux comprendre à cet égard.

La réponse de Chris fournit une excellente explication sur les raisons pour lesquelles les ondes gravitationnelles sont utiles à détecter en général. Voici mon point de vue (en tant que personne qui travaille dans la théorie des trous noirs) sur ce qui est particulièrement intéressant à propos du signal qui a été annoncé hier. Beaucoup de mes réflexions sont tirées de la conférence de presse officielle de la NSF et de colloques dans mon institution.

L'événement lui-même

Analyse numérique de l'événement d'onde gravitationnelle qui a été mesurée le 14 septembre 2015, a révélé beaucoup de choses sur la nature de l'événement qui a eu lieu.

Ce qui suit est une figure du rapport LIGO qui montre le signal d'onde gravitationnelle:

( source)

La ligne rouge dans chaque graphique est le signal d'onde gravitationnelle mesuré de l'observatoire de Hanford, Washington. La ligne bleue est le signal d'onde gravitationnelle mesuré à partir de l'observatoire de Livingston, en Louisiane. Le graphique en haut à gauche montre le signal Hanford seul, le graphique en haut à droite montre le signal Livingston superposé avec le signal Hanford (regardez à quel point ils correspondent, prouvant qu'il ne s'agissait pas d'une source locale de bruit mais plutôt d'un signal généré à partir d'un signal cosmique distance).

Le graphique de gauche dans la deuxième ligne est le plus intéressant. La ligne gris clair montre essentiellement le signal, débarrassé du plus de bruit possible (l'équipement est si sensible que toutes sortes de choses peuvent provoquer une légère gigue dans la forme d'onde). La ligne rouge représente la forme d'onde qui serait prédite par les techniques de relativité générale numérique pour un système de deux trous noirs en spirale l'un dans l'autre. Ce n'est pas un hasard si la forme d'onde observée (gris clair) et la forme d'onde prédite (rouge) se chevauchent si bien.

Il y a, bien sûr, beaucoup d'analyses qui permettent de vérifier la signification statistique de ces données. Les scientifiques du LIGO ont découvert que dans une marge statistiquement significative, cette forme d'onde était probablement produite par un système binaire de deux trous noirs, chacun environ trente fois plus massif que la taille du soleil.

Maintenant, pour le des détails sur ce qui est intéressant à propos de cet événement.

Les trous noirs en général

Avant hier, nous n'avions aucune preuve directe de l'existence de trous noirs. Nous étions assez confiants dans l'existence de trous noirs, mais uniquement par des mesures indirectes. Il s'agit de la toute première mesure directe d'un trou noir - les objets en question sont suffisamment massifs et suffisamment compacts pour être presque sûrement des trous noirs. De plus, les données correspondent parfaitement à nos prédictions relativistes générales sur le type de rayonnement qui sera libéré par une fusion de trous noirs. C'est une énorme nouvelle - les physiciens n'ont jamais eu de preuves complètes de l'existence de trous noirs avant hier, bien que le public puisse le prendre pour acquis. Les trous noirs existent, et ils fonctionnent comme nous le pensions. C'est incroyable!

Types de trous noirs

D'un point de vue astrophysique, c'est assez intéressant, car les deux trous noirs inspirants étaient environ 30 fois plus massifs que le soleil (désormais appelé "30 masses solaires"). Les astrophysiciens n'avaient aucune preuve convaincante de l'existence de trous noirs dans cette gamme de masse. On a supposé que nous avions des trous noirs de l'ordre de 3 à 20 masses solaires, et les trous noirs dits "supermassifs" (qui représentent des millions, des milliards de masses solaires? Je ne suis pas astrophysicien donc je ne peux pas te dire). C'est un problème astrophysique fascinant - la masse dans un trou noir doit venir de quelque part. Quel est le processus par lequel un trou noir d'environ 30 masses solaires se forme? D'où vient-elle sa matière? À quel point est-il massif lorsqu'il se forme pour la première fois (à partir d'une étoile, peut-être?), Et combien grandit-il après qu'il soit déjà devenu un trou noir?

Oh, et au fait, nous ne l'avons pas fait vient de confirmer l'existence de deux trous noirs de masse solaire ~ 30. Nous avons confirmé l'existence d'un trou noir de 62 masses solaires - le trou noir restant après la fusion des deux. En parlant de cela, parlons un peu de ce dernier trou noir.

Radiation

La masse collective des deux trous noirs avant leur fusion était d'environ 65 solaires masses. La masse du trou noir final était d'environ 62 masses solaires.

Cela signifie que 3 masses solaires ont été rayonnées en ondes gravitationnelles lors de la fusion des trous noirs. Pas impressionné? Eh bien, voici une perspective: selon la conférence NSF donnée hier, la puissance de sortie du rayonnement gravitationnel pendant les derniers instants de la fusion du trou noir était supérieure à la puissance de sortie collective de chaque étoile de l'univers combinée.

C'est beaucoup d'énergie, très vite. Que se passe-t-il une fois que cette énergie est libérée? Eh bien ...

Ring-down

C'est mon préféré, mais c'est aussi la chose sur laquelle nous avons le moins d'informations. Si vous regardez à nouveau le chiffre que j'ai inclus plus tôt dans cette réponse, par exemple au deuxième graphique de la colonne de gauche, vous remarquerez que le modèle se présente comme suit:

Légères vibrations, augmentant en amplitude en fréquence, oscillant soudainement très rapidement à une amplitude élevée, puis s'éteignant à presque rien.

Cette augmentation soudaine de fréquence s'appelle un «chirp», et c'est ce que LIGO recherchait. Ce gazouillis nous dit tout ce que nous devons savoir sur la fusion des trous noirs.

Mais qu'en est-il de ce qui se passe ensuite? La décroissance exponentielle du signal correspond au trou noir résultant (avec 62 masses solaires) se stabilisant dans un état stable. La question de la stabilité du trou noir est incroyablement intéressante, et le processus par lequel un trou noir s'installe après une perturbation majeure (par exemple la fusion avec un autre trou noir) est un objet d'étude fascinant.

En gros, si vous a frappé un trou noir, ça sonne. Lorsque vous perturbez un trou noir loin de son état stable, vous créez quelque chose appelé modes quasi normaux - des descriptions mathématiques de la perturbation à partir de l'équilibre - qui se désintègrent exponentiellement au fil du temps lorsque le trou noir s'approche de l'équilibre.

Le signal expérimental fait ne contient pas beaucoup d'informations sur la sonnerie. Nous ne pouvons pas glaner beaucoup d'informations sur la manière exacte dont le trou noir s'installe dans un état stable - le processus ne génère pas d'ondes gravitationnelles très fortes, d'une part, et cela se produit très rapidement.

Mais ce n'est pas grave . Sur la figure, nous pouvons le voir se produire. Nous voyons deux trous noirs fusionner, libérer trois masses solaires de rayonnement, puis s'installer dans un état final stable. Cela seul est incroyablement excitant.

Oh, au fait, une pensée d'adieu: cette fusion de trous noirs s'est produite il y a environ un milliard d'années. Nous ne recevons que son signal maintenant.

En plus de ce que Chris White énumère, j'aimerais souligner le fait que, à l'exception de quelques météorites et de la poussière accumulée sur les plaques de satellites et de roches de Mars (et des rayons cosmiques et une poignée de neutrinos;merci Ruslan et Kyle Oman), jusqu'à présent toutes les informations qui nous parviennent de l'Univers - que ce soit le Soleil, les planètes les plus éloignées, les autres étoiles, les galaxies, le CMB, etc. - nous sont parvenues ensous forme de rayonnement électromagnétique.

Les ondes gravitationnelles sont un tout nouveau mode d'acquisition de connaissances sur l'Univers.À la fois à partir d'objets où nous voyons aussi des radiations, mais aussi par exemple peut-être à un moment donné de l'inflation au Big Bang, où en utilisant le rayonnement électromagnétique, nous ne pouvons pas voir plus loin que le CMB, 380000 ans après le Big Bang(c'est ce que les gars du BICEP2 pensaient avoir vu il y a deux ans, mais cela s'est avéré poussière…).

Pour ajouter brièvement à la réponse de Chris.

Les ondes gravitationnelles ne sont obscurcies par rien.Si les détecteurs sont conçus pour fonctionner à des fréquences plus basses (dans l'espace), ils peuvent alors "voir" les ondes gravitationnelles provenant d'au-delà du fond cosmique des micro-ondes jusqu'à l'époque inflationniste.

Une autre chose qui est devenue claire aujourd'hui estque les fusions binaires donnent un gazouillis qui donne les masses des composants fusionnés, mais donne également des estimations de distance précises et indépendantes.Ces événements sont l'équivalent des bougies standard pour les ondes électromagnétiques - «sirènes standard».

Les ondes gravitationnelles sont une composante majeure de phénomènes tels que les fusions de trous noirs

L'événement d'onde gravitationnelle GW150914 est supposéêtre une fusion de deux trous noirs avec des masses estimées de 36 + 5 / -4 et 29 ± 4 masses solaires.La masse finale était de 62 ± 4 masses solaires.Si nos modèles actuels sont corrects, alors les masses solaires 3,0 ± 0,5 manquantes ( 5,3% ) ont été rayonnées sous forme d'ondes gravitationnelles, et cela en seulement 0,2 seconde.

Si nous ne pouvions pasdétecter les ondes gravitationnelles, alors que 5% serait une lacune majeure dans nos modèles.Maintenant, dans ce cas, nous savons seulement que l'événement s'est produit parce que nous avons détecté les ondes, mais en supposant que nous ayons observé un événement similaire dans le spectre électromagnétique, si nous ne pouvions pas également détecter les ondes gravitationnelles, alors ce seraitun gros défaut dans nos observations de l'événement.

Avec les ondes gravitationnelles (GW), on peut "savoir" que les objets sont là - les détecter sans "voir" -visuellement, simplement parce que l'objet a une masse.

Tout ce qui bouge et a unmasse émet GW - les détecteurs de courant ne sont sensibles que pour les objets dont la masse est égale à la masse de plusieurs soleils $ 2 \ fois 10 ^ {30} ~ \ rm {kg} $ (2 avec 30 zéros).

Imaginezun jour, nous aurons des capteurs-détecteurs capables de détecter le mouvement de n'importe quel objet avec une masse sans le voir ....

Une implication intéressante est que les ondes gravitationnelles sont considérées comme une preuve supplémentaire de la théorie de l'inflation, qui est utilisée pour aider à expliquer l'homogénéité de l'univers. Si la théorie de l'inflation est correcte et que l'espace-temps a connu une expansion exponentiellement explosive, cette expansion n'a pas besoin de se produire au même rythme à chaque point de l'espace.

En fait, les chances que cela se produise sont apparemment si astronomiques qu'elles sont presque nulles. En conséquence, un seul point dans l'espace pourrait se dilater à une vitesse complètement différente de celle de ses points spatiaux environnants (je l'ai entendu par rapport à faire exploser un ballon avec un défaut, de sorte que le défaut se transforme en bulle en surface lorsqu'il est gonflé).

Si je comprends bien, vous vous retrouveriez avec une vaste multitude - peut-être même un nombre infini d ' univers alternatifs , complètement séparés mais toujours «attachés» aux autres univers. Et avec chaque univers possédant ses propres lois (ou son absence?) Pour décrire la force, l'espace, le temps, etc., le multivers pourrait théoriquement exister pour toujours, avec un début fini mais pas de fin. (Source - l'un de mes professeurs de génie physique)

@ Martin Merci pour vos commentaires! Certes, j’ignore en grande partie la théorie de l’inflation, mais je dois ajouter que le professeur de mon professeur était membre de l’équipe de Guth qui a contribué au développement des mathématiques de la théorie de l’inflation. Dans tous les cas, je crois comprendre que bien qu'il existe une variété de théories d'inflation viables, la plupart des modèles sérieux nécessitent la présence d'un rayonnement gravitationnel résultant du Big Bang (appelées ondes gravitationnelles primordiales). Selon la théorie de Guth, l’inflation s’est produite juste avant le Big Bang, et quand elle s’est arrêtée, l’énergie présente dans le champ d’inflaton a été convertie en chaleur et en Big Bang (et le grand-père de toutes les ondes gravitationnelles).

La théorie de l'inflation est encore assez récente (environ 40 ans seulement?), il va donc de soi que toute nouvelle théorie proposée de nos jours va probablement incorporer la GR en raison du succès de GR.Donc, je suppose que la réponse courte est que les modèles d'inflation actuels, qui incorporent GR, nécessitent des ondes gravitationnelles primordiales, et si des ondes gravitationnelles primordiales existent, alors des ondes gravitationnelles existent.

En plus des réponses données ci-dessus, j'aimerais ajouter de puissants arguments théoriques.

Comme vous le savez, il existe la loi de Coulomb, qui stipule que l'interaction statique entre les corps chargés se comporte avec une distance $ r $ comme $ r ^ {- 2} $. C'est la loi à longue portée: si nous touchons une charge, alors, selon cette loi, une autre ressentira le changement simultanément. Ce point de vue sur les interactions électriques a été complètement changé lorsque Maxwell s'est rendu compte que les interactions lumineuses, électriques et magnétiques ont la même nature; puisque la vitesse de la lumière est finie, la théorie de Maxwell nous dit que si nous touchons une charge, alors les informations de changement de force - champ électromagnétique - se propageront à une vitesse finie - la vitesse de la lumière.

Cette conception, conception de la finitude de toutes les interactions, reste ainsi dans toutes les théories fondamentales (selon le point de vue moderne) indépendamment de leur nature; c'est parce que c'est la propriété de notre espace-temps (ce fait est fixé, par exemple, sous la forme explicite des transformations de Lorentz et du principe de causalité et provient des axiomes généraux basés sur les symétries d'espace-temps).

La théorie de la relativité générale, par exemple, est basée sur l'affirmation que localement notre espace-temps ressemble à celui de Minkowski, ce qui force la finitude des interactions gravitationnelles. En particulier, les équations de la théorie de la relativité générale sur métrique (équations d'Einstein), étant linéarisées en l'absence de matière, coïncident formellement avec celles que l'on peut obtenir en construisant la théorie libre de l'hélicité des particules sans masse 2, à partir de la symétrie globale de Poincaré. Ce dernier décrit les vagues.

Dans le point de vue ci-dessus, la détection des ondes gravitationnelles est quelque chose de plus grand que la vérification de la relativité générale, ouvrant la nouvelle méthode d'observations astrophysiques ou une autre façon de vérifier GR. Il vérifie la propriété de l'espace-temps qui est la base de toute physique fondamentale moderne.

Une liste non exhaustive pour certains des prospects:

Neutron Star équation d'état

Les ondes gravitationnelles peuvent être utilisées pour vérifier l'équation d'état

Structure interne des sursauts gamma

La dynamique des GRB est encore entourée de mystère et rien ne peut vraiment sonder la structure interne des GRB comme les ondes gravitationnelles le peuvent

Vitesse des ondes gravitationnelles

L'une des plus évidentes, mais il n'a toujours pas été établi que la vitesse des ondes gravitationnelles est c (comme il se doit)

Test des théories de la gravité

Techniquement, GR peut être reconstruit en assouplissant les hypothèses et en autorisant par exemple des torsions.Peut-être que la théorie de Brans-Dicke est correcte?

Gravitons

Plutôt évident