Les ondes gravitationnelles

Ce premier cours constitue une introduction générale à la théorie des ondes gravitationnelles. Nous présenterons, avec un formalisme mathématique réduit, la théorie de la relativité restreinte puis générale. Nous élaborerons sur la notion de géométrie de l’espace-temps, et étudierons comment ses déformations locales peuvent se propager sous la forme d’ondes dites gravitationnelles. Nous identifierons quelques mécanismes notables de production de ces ondes, et discuterons les méthodes à notre disposition pour les détecter. 

Vincent Vennin est chargé de recherche au département de physique de l’Ecole Normale Supérieure de Paris. Physicien théoricien spécialiste de l’univers primordial, il a mené sa thèse à l’Institut d’Astrophysique de Paris, puis un postdoctorat à l’Université de Portsmouth en Angleterre, avant d’intégrer le CNRS en 2017.

Nous décrirons dans ce cours l’histoire des couples stellaires, dont le destin final est d’émettre des ondes gravitationnelles. Tout commence par deux étoiles, souvent massives, nées dans le même nuage interstellaire, ou dans des nuages différents, mais dans un environnement dense à l’intérieur d’un amas d’étoiles. Ces deux étoiles évoluent, s’échangent de la matière, traversent une phase d’enveloppe commune, au cours de laquelle la distance entre les deux étoiles diminue drastiquement, jusqu’à ce que l’enveloppe soit éjectée. Les deux coeurs stellaires, maintenant devenus étoiles à neutron ou trou noirs après les événements de supernova, se rapprochent peu à peu suite au rayonnement d’onde gravitationnelle, jusqu’à, des milliards d’années après leur formation, fusionner, en émettant des ondes gravitationnelles, telles que celles détectées par les interféromètres LIGO-Virgo et KAGRA. De nombreuses incertitudes jalonnent encore cette histoire de couples stellaires, liées à la composition des étoiles, à leur rotation, à leur implosion lors des supernovae, mais aussi à cette phase cruciale mais brève dans l’histoire stellaire, la phase d’enveloppe commune. Nous passerons en revue dans ce cours les différentes étapes de l’évolution des couples stellaires.

Professeur à l’Université Paris Cité, Sylvain Chaty est membre des collaborations internationales Virgo et Fermi (NASA). Sa recherche porte sur l’étude des astres compacts, étoiles à neutron et trous noirs, avant qu’ils fusionnent et émettent des ondes gravitationnelles.

La lumière n’est dorénavant plus la seule source d’information sur l’Univers. Il est maintenant possible d’observer l’Univers autrement, en particulier avec les ondes gravitationnelles. Nous donnerons une vue d’ensemble de ce nouveau mode d’observation et cette nouvelle discipline scientifique qu’est l’astronomie gravitationnelle. En premier lieu, nous décrirons la prouesse expérimentale qui a conduit à la mesure des ondes gravitationnelles et entrerons dans les aspects liés à l’analyse des données. Nous décrirons ensuite les découvertes majeures effectuées ces dernières années, comme l’observation de la fusion de deux trous noirs ou de deux étoiles à neutrons, et leurs implications astrophysiques.

E. Chassande-Mottin est directeur de recherche CNRS au laboratoire AstroParticule et Cosmologie. Ses principales activités de recherche sont dans le domaine de l’astronomie des ondes gravitationnelles, avec un intérêt particulier pour l’analyse des données.

Après une introduction qui s’attachera à retracer les grandes étapes de l’astronomie observationnelle, depuis la lunette de Galilée, jusqu’à l’astronomie gravitationnelle, nous décrirons dans ce cours l’épopée qui a mené à la découverte de la première source astrophysique détectée à la fois grâce à son signal gravitationnel et à son signal électromagnétique : GW170817 / GRB170817A. Nous aborderons les défis liés à cette astronomie nouvelle qui nécessite réactivité et collaboration entre équipes internationales. Nous dévoilerons ensuite comment cette détection conjointe a permis de percer certains des mystères entourant les objets compacts et nous verrons enfin pourquoi l’astronomie multi-messager est promise à un brillant avenir.

Alexis Coleiro est maître de conférences à l’Université Paris Cité. Il est rattaché au laboratoire Astroparticule et Cosmologie (APC). Il étudie les sources de haute énergie avec un point de vue multi-messager (à l’interface entre rayonnement électromagnétique, neutrinos  et ondes gravitationnelles).

Les ondes gravitationnelles découvertes depuis peu donnent aux physiciens une nouvelle approche des phénomènes célestes. Elles complètent les études développées depuis longtemps qui scrutent les sources existant dans le cosmos. Il existe des cartes du ciel très variées. On connaît celle du fond cosmologique, des ondes radio, de la lumière visible, des rayons X, des rayons gamma … On commence à recueillir les premiers signaux obtenus grâce aux protons de très hautes énergies ainsi que des neutrinos. Pour une telle recherche, les neutrinos possèdent des atouts très particuliers qui seront discutés dans ce cours.

François Vannucci est professeur depuis 1981. Il fut responsable de plusieurs expériences de recherche sur les neutrinos au CERN et aux US, en particulier sur leurs oscillations. Il est l’auteur de nombreux livres de vulgarisation.

Cette conférence présentera le principe de la détection des neutrinos astrophysiques, le développement de cette nouvelle astronomie au cours des dernières décennies et la conception des projets futurs. Nous verrons comment ces nouveaux observatoires peuvent être exploités conjointement aux observations d’ondes gravitationnelles réalisées par les interféromètres terrestres. Enfin, nous étudierons les nouvelles informations que peuvent apporter ces neutrinos sur la physique des sources d’ondes gravitationnelles. 

Bruny Baret est chargé de recherche au CNRS, rattaché au laboratoire Astroparticule et Cosmologie (APC). Ses sujets de recherche s’inscrivent dans l’étude et la compréhension du rayonnement cosmique de haute et ultra haute énergie ainsi que des sources potentielles de celui-ci.

Nous nous intéresserons dans ce cours aux ondes gravitationnelles qui se sont formées dans l’univers primordial, à une époque où la partie de l’univers que nous observons aujourd’hui n’était pas plus grande qu’un atome. Durant cette époque, les fluctuations quantiques du vide sont amplifiées sous l’effet d’un espace-temps en expansion accélérée. Si ce mécanisme donne naissance aux embryons des grandes structures de notre univers, il conduit également à la production d’ondes gravitationnelles. Nous verrons comment ces ondes gravitationnelles primordiales peuvent être détectées aux confins de l’Univers observable, nichées dans la polarisation de la première lumière de l’Univers, le fond diffus cosmologique. Nous verrons que des efforts colossaux sont déployés pour concevoir, exploiter et analyser de grands observatoires micro-ondes installés dans les déserts du monde et depuis l’espace, pour percer ces mystères de l’Univers primordial.

Josquin Errard est Docteur en physique au sein d’Université Paris Cité, post doctorant à l’Université de Berkeley puis à l’Institut Lagrange, il intègre le CNRS en 2016 au laboratoire Astroparticule et Cosmologie (APC).

Laser Interferometer Space Antenna (LISA) est la future mission de l’Agence spatiale européenne dédiée aux ondes gravitationnelles. Séparés par 2.5 millions de km, chacun des trois satellites qui composent LISA s’échangent des lasers pour déterminer avec précision leur position relative. LISA constituera ainsi le plus grand interféromètre jamais construit pour la détection d’ondes gravitationnelles. En s’affranchissant des contraintes au sol, LISA donnera accès à une région encore inexplorée du spectre des ondes gravitationnelles, celui des « basses fréquences » où sont attendus des trous noirs de plusieurs millions de fois la masse solaire. Cette conférence présentera l’historique de la mission, notamment le satellite de test “LISA pathfinder”, la réalisation technique de ce projet ambitieux et les attentes scientifiques d’un tel observatoire.

Joseph Martino est Docteur en physique au sein d’Université Paris Cité, post doctorant à l’Institut Astrophysique Spatiale d’Orsay, il intègre le CNRS en 2017, en tant qu’ingénieur de recherche, au laboratoire Astroparticule et Cosmologie (APC).