Sources d'ondes gravitationnelles

Les ondes gravitationnelles sont produites par des distributions de masse accélérées et non sphériques ; les sources astrophysiques les plus puissantes sont les binaires compactes en spirale, mais les supernovae, les étoiles à neutrons en rotation et l'univers primordial émettent également des ondes.

Definition

Une source d'ondes gravitationnelles est tout système dont la distribution de masse-énergie présente un moment quadrupolaire (ou d'ordre supérieur) variant dans le temps, émettant un rayonnement gravitationnel ; les sources canoniques sont les binaires d'objets compacts dont le mouvement orbital produit des formes d'onde fortes et prévisibles.

Scope

Ce sujet aborde la nature quadrupolaire de l'émission gravitationnelle, les principales classes de sources, les coalescences de binaires compactes, les étoiles à neutrons déformées en rotation (ondes continues), l'effondrement asymétrique des supernovae (sursauts), et le fond stochastique provenant de nombreuses sources non résolues ou de l'univers primordial, ainsi que les fréquences et intensités caractéristiques qui déterminent quels détecteurs peuvent les observer.

Core questions

• Pourquoi seuls les systèmes non sphériques et accélérés émettent-ils des ondes gravitationnelles ?
• Quelles sont les principales catégories de sources astrophysiques d'ondes gravitationnelles ?
• Comment les propriétés des sources déterminent-elles la bande de fréquences dans laquelle elles peuvent être détectées ?

Key concepts

• Moment quadrupolaire de masse
• Coalescence de binaires compactes
• Ondes continues des étoiles à neutrons
• Sources de sursauts (supernovae)
• Fond stochastique
• Bandes de fréquences des sources

Key theories

Émission quadrupolaire

Les ondes gravitationnelles sont émises au premier ordre par le moment quadrupolaire de masse variable d'une source ; ainsi, les mouvements à symétrie sphérique n'émettent rien et seules les distributions de masse asymétriques et accélérées produisent des ondes.

Les binaires compactes comme sources primaires

Les paires de trous noirs et d'étoiles à neutrons en spirale sont les sources les plus intenses et les mieux modélisées, leur décroissance orbitale par rayonnement gravitationnel ayant été confirmée indirectement pour la première fois par le pulsar binaire de Hulse-Taylor.

Clinical relevance

L'identification et la modélisation des sources transforment la détection d'ondes gravitationnelles en astronomie : chaque classe de sources sonde différentes physiques, de l'équation d'état de la matière dense dans les étoiles à neutrons à la population de trous noirs à travers le temps cosmique et aux possibles reliques de l'univers primordial dans un fond stochastique.

History

Après la prédiction d'Einstein, la première preuve convaincante de l'existence du rayonnement gravitationnel est apparue en 1974 lorsque Hulse et Taylor ont découvert un pulsar binaire dont l'orbite se dégradait exactement comme le prédisait la formule quadrupolaire, ce qui leur a valu le prix Nobel en 1993 et a motivé l'effort de détection directe.

Key figures

• Russell Hulse
• Joseph Taylor
• Kip Thorne
• Bernard Schutz

Seminal works

• hulse1975
• maggiore2008

Frequently asked questions

Pourquoi une étoile en rotation, parfaitement symétrique, n'émet-elle pas d'ondes gravitationnelles ?

L'émission nécessite un moment quadrupolaire variable ; un corps en rotation parfaitement axisymétrique présente une distribution de masse constante vue de l'extérieur, il n'émet donc pas d'ondes gravitationnelles, contrairement à une étoile présentant une 'montagne' ou une autre asymétrie.

Quelle a été la signification du pulsar binaire de Hulse-Taylor ?

Son orbite se contracte précisément au rythme attendu si elle perd de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles, fournissant la première preuve quantitative, bien qu'indirecte, de l'existence du rayonnement gravitationnel, des décennies avant que les ondes ne soient détectées directement.