Ondes gravitationnelles
Les ondes gravitationnelles sont des ondulations de la courbure de l'espace-temps qui se propagent à la vitesse de la lumière, générées par des masses en accélération telles que des objets compacts en orbite, et désormais directement détectées, ouvrant une nouvelle fenêtre sur l'univers.
Definition
Les ondes gravitationnelles sont des perturbations propagatives et transverses de la métrique de l'espace-temps, solutions des équations d'Einstein linéarisées, qui emportent de l'énergie et de la quantité de mouvement loin des distributions de masse en accélération et non-sphériquement symétriques, et qui étirent et compriment les distances entre des masses test en chute libre.
Scope
Ce domaine couvre la théorie du rayonnement gravitationnel : les équations d'Einstein linéarisées et leurs solutions d'onde, les deux polarisations transverses et l'effet d'une onde de passage sur des masses libres, la formule du quadrupôle pour l'émission, les sources astrophysiques, ainsi que les techniques d'interférométrie laser et de chronométrie de pulsars utilisées pour détecter les ondes et déterminer les propriétés de leurs sources.
Sub-topics
Core questions
- Comment les équations d'Einstein prédisent-elles des solutions de type ondulatoire, et à quelle vitesse se propagent-elles ?
- Quels types de systèmes astrophysiques émettent des ondes gravitationnelles détectables ?
- Comment de si minuscules distorsions de l'espace-temps peuvent-elles être mesurées ?
- Quelle nouvelle astrophysique est révélée par la détection des ondes gravitationnelles ?
Key concepts
- Équations d'Einstein linéarisées
- Jauge transverse sans trace
- Deux polarisations (plus et croix)
- Formule du quadrupôle
- Déformation
- Astronomie multi-messagers
Key theories
- Gravité linéarisée et solutions d'onde
- L'expansion de la métrique autour de l'espace-temps plat et le choix d'une jauge appropriée réduisent les équations d'Einstein à une équation d'onde, dont les solutions sont des ondes gravitationnelles transverses et sans trace, avec deux polarisations, se propageant à la vitesse de la lumière.
- Formule du quadrupôle
- Au premier ordre, la luminosité en ondes gravitationnelles d'une source est déterminée par la troisième dérivée temporelle de son moment quadrupolaire de masse ; ainsi, seules les distributions de masse non-sphériques et en accélération rayonnent, et l'émission est généralement très faible.
Clinical relevance
L'astronomie des ondes gravitationnelles est devenue une science d'observation : les détections de fusions de trous noirs et d'étoiles à neutrons testent la relativité générale dans le régime dynamique et de champ fort, mesurent les masses et les spins des objets compacts, fournissent une voie indépendante pour déterminer le taux d'expansion de l'univers et, lorsqu'elles sont associées à la lumière, permettent des études multi-messagers des explosions cosmiques.
History
Einstein a prédit les ondes gravitationnelles en 1916 et a longtemps douté de leur réalité ; des preuves indirectes sont venues de la décroissance orbitale du pulsar binaire de Hulse-Taylor dans les années 1970, et après des décennies de développement de détecteurs, les interféromètres LIGO ont réalisé la première détection directe d'une fusion de trous noirs en 2015, reconnue par le prix Nobel 2017.
Debates
- Réalité et énergie des ondes gravitationnelles
- Pendant des décennies, il a été contesté si les ondes gravitationnelles étaient physiques ou de pure jauge, et si elles transportaient de l'énergie ; l'argument de la perle collante et les détections éventuelles ont établi qu'elles sont réelles et transportent de l'énergie, bien que des subtilités concernant la localisation de l'énergie gravitationnelle persistent.
Key figures
- Albert Einstein
- Joseph Weber
- Rainer Weiss
- Kip Thorne
- Barry Barish
Related topics
Seminal works
- einstein1916b
- abbott2016
Frequently asked questions
- Que fait physiquement une onde gravitationnelle lorsqu'elle passe ?
- Elle étire alternativement l'espace dans une direction transverse tout en le comprimant dans la direction perpendiculaire, modifiant la séparation entre des masses en chute libre d'une infime fraction ; cette déformation oscillante est ce que les interféromètres sont conçus pour mesurer.
- Pourquoi les ondes gravitationnelles sont-elles si difficiles à détecter ?
- La gravité est extraordinairement faible ; ainsi, même les événements astrophysiques violents produisent des déformations de l'ordre d'une partie sur 10^21 sur Terre, nécessitant des interféromètres de taille kilométrique stabilisés contre toute source de bruit concurrente pour détecter des changements de distance bien plus petits que la largeur d'un proton.