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Pulsars et Gravitation. Ismaël Cognard Chargé de Recherche LPCE / CNRS Orléans [email protected] PLAN le décor les pulsars radio la chronométrie et ses applications la gravitation conclusion. PLAN le décor les pulsars radio la chronométrie et ses applications la gravitation

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Pulsars et Gravitation

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Presentation Transcript


Pulsars et gravitation

Pulsars et

Gravitation

Ismaël Cognard

Chargé de Recherche LPCE / CNRS Orléans

[email protected]


Pulsars et gravitation

PLAN

le décor

les pulsars radio

la chronométrie et ses applications

la gravitation

conclusion


Pulsars et gravitation

PLAN

le décor

les pulsars radio

la chronométrie et ses applications

la gravitation

conclusion


Pulsars et gravitation

Notre galaxie


Pulsars et gravitation

La galaxie M82


Pulsars et gravitation

Des milliards de galaxies...


Pulsars et gravitation

PLAN

le décor

les pulsars radio

la chronométrie et ses applications

la gravitation

conclusion


Pulsars et gravitation

1967...

http://lanturluland.free.fr/


Pulsars et gravitation

Sous la responsabilité de son directeur de thèse, Anthony Hewish,

la jeune étudiante Jocelyn Bell étudie la scintillation des sources

extragalactiques et découvre...

les pulsars!

Jocelyn Bell à Cambridge

Enregistrement d'un pulsar en novembre 1967


Pulsars et gravitation

Mort d'une grosse étoile...

...naissance d'une étoile à neutrons !

Une étoile massive (~10 soleils)

explose violemment à la fin de sa vie,

c'est le phénomène de SUPERNOVA

dont le résidu est une étoile à neutrons.


Pulsars et gravitation

avec un champ magnétique,

l'étoile à neutrons émet deux faisceaux radio...

comme un phare au bord de la mer !


Pulsars et gravitation

Historique

1934 : Baade et Zwicky proposent que ce soit l'explosion

de grosses étoiles qui produisent le phénomène de supernovae,

le résidu serait alors une ''étoile à neutrons'',

le neutron vient d'être découvert

1967 : Pacini établit qu'une étoile à neutrons en rotation

avec un champ magnétique produirait suffisamment

d'energie pour ''éclairer'' la nébuleuse d'après supernovae

1967 : Bell et Hewish découvrent des sources radio dont

ils reçoivent des impulsions rapides et régulières

pulsations d'étoiles naines ?

1968 : Pacini et Gold font le lien entre l'étoile à neutron,

le champ magnétique et l'observation d'un faisceau radio en rotation.


Pulsars et gravitation

Les pulsars dans la Galaxie


Pulsars et gravitation

Les pulsars dans la Galaxie

Galaxie M51


Pulsars et gravitation

Distribution des périodes de pulsars

?


Pulsars et gravitation

Diagramme période-dérivée de la période

?


Pulsars et gravitation

Recyclage d'un pulsar


Pulsars et gravitation

diagramme période-dérivée de la période

(ou diagramme ''Hertzsprung-Russell'' des pulsars)

''naissance''

''vie''

''mort''

recyclage


Pulsars et gravitation

PLAN

le décor

les pulsars radio

la chronométrie et ses applications

la physique

conclusion


Pulsars et gravitation

Chronométrie des pulsars

Chronométrer, c'est mesurer les temps d'arrivée

des impulsions radio reçues sur Terre.

Il faut pour cela de grands instruments tels que...

le Grand Radiotélescope de Nançay

4ème plus grand instrument au monde

équivalent à une parabole de 100m


Pulsars et gravitation

En principe, c'est simple...

mesure

heure de départ

de l'observation

temps d'arrivée


Pulsars et gravitation

Dispersion introduite par la composante ionisée

du Milieu Interstellaire

Observation du pulsar PSR B1713+07 avec le NBPP

(96 canaux de 1.5MHz entre 1288 et 1432MHz)


Pulsars et gravitation

Associée à la scintillation,

la dispersion provoque des effets systématiques

sur les temps d'arrivée...


Pulsars et gravitation

Scintillation lors d'une observation du pulsar milliseconde PSR 1937+21

16x4=64MHz 56x30s=28mins


Pulsars et gravitation

Les instruments de

chronométrie des pulsars

à Nançay

NBPP 1998-2003

BON 2004-...

Chronométrer nécessite

une horloge précise de référence

et

une instrumentation spéciale

pour intégrer le signal

DDS 1988-...


Pulsars et gravitation

dédisperseur PULSAR cohérent

BON (Berkeley-Orléans-Nançay)

installé à Nançay


Pulsars et gravitation

Le calculateur spécialisédu dédisperseur numérique

1 poste maitre bi-processeur Athlon

1.2GHz, 2Go de mémoire

77 noeuds bi-processeur Athlon 1.2GHz,

1 Go de mémoire, 10G disque

réseau Gigabit (bande passante 32GBs)

switch Cisco 6009

système d'exploitation

Linux, kernel 2.4.2 ''optimisé''


Pulsars et gravitation

Analyser les temps d'arrivées,

c'est inspecter les résidus de temps d'arrivée

Les résidus sont les différences entre

des temps d'arrivée mesurés à un radiotélescope et

des temps d'arrivée calculés à partir de paramètres de pulsar

et des lois de la physique

Glitch mars 2001

Première détection d'un glitch sur un pulsar recyclé milliseconde

Cognard & Backer, ApJ 612, L125 (2004)


Pulsars et gravitation

Stabilité à long terme

des échelles de temps

les pulsars ''sont''/''peuvent être''

les meilleures horloges

à long terme

ma montre se décale

d'une seconde par jour...

sa stabilité est de

1 / 24x60x60 ~ 10-5


Pulsars et gravitation

Pourquoi étudier

les pulsars millisecondes?(... ou pourquoi mesurer les temps d'arrivéede leurs impulsions radio pendant des décennies)

Fond d'ondes gravitationnelles

Structures du milieu interstellaire

Théories de la Gravitation

Amas globulaires / Potentiel gravitationnel de la Galaxie

Dynamique du Système solaire

Stabilité à long terme des échelles de temps

Astrométrie et repères célestes

Planètes extra-solaires

Physique des pulsars


Pulsars et gravitation

Fond d'ondes gravitationnelles d'origine cosmologique

fond d'ondes

gravitationnelles

fond d'ondes

electromagnétiques (3K radio)

10-32 seconde

300 000 years

inflation

émission

d'ondes gravitationnelles

accélération - décelération

cordes cosmiques vibrantes

Þ


Pulsars et gravitation

Détection d'ondes gravitationnelles

par chronométrie des pulsars

Terre

Espace-temps

déformé par

l'onde

gravitationnelle

Pulsar

Détecter un fond d'ondes gravitationnelles,

c'est chercher un bruit de temps d'arrivée corrélé entre plusieurs pulsars


Pulsars et gravitation

PLAN

le décor

les pulsars radio

la chronométrie et ses applications

la gravitation

conclusion


Pulsars et gravitation

Système double

d'étoiles à neutrons,

dont un pulsar.

Le mouvement orbital est décrit par

5 paramètres Képleriens :

demi-grand axe projetéa.sin(i)

ellipticitée

période orbitalePorb

angle du périastrew

date du périastreTpa

les masses des deux étoiles ne sont pas accessibles !


Pulsars et gravitation

Grâce à la stabilité de rotation exceptionnelle des étoiles à neutrons,

et à l'intensité des champs gravitationels,

il est possible de détecter les effets relativistes,

ce sont ...

les paramètres post-Képleriens :

avance du périastredw/dt

diminution de la période orbitaledP/dt

retard Shapiror, s

décalage gravitationnelg

Comme, dans le système binaire, il reste les deux masses à déterminer,

alors

toute mesure de 3, ou plus, paramètres post-Képleriens

permet de tester les théories de la Gravitation.


Pulsars et gravitation

En Relativité Générale, les 5 paramètres post-Képleriens

les plus importants s'expriment selon :


Pulsars et gravitation

diminution de

la période orbitale

observé sur

le pulsar PSR B1913+16

découvert en 1974

Hulse &Taylor


Pulsars et gravitation

Prix Nobel de Physique 1993


Pulsars et gravitation

retard Shapiro observé sur le pulsar PSR J1909-3744

similaire à :


Pulsars et gravitation

Décembre 2003

un système double d'étoile à neutrons est découvert : PSR J0737-3039A


Pulsars et gravitation

Deux étoiles à neutrons visibles comme pulsars

0737-3039A 22.7ms

0737-3039B 2.77s

période orbitale 2.4h

excentricité non nulle (0.088)

vu par la tranche (i=88.7°)

4 paramètres post-Képleriens en 6 mois

dérivée de w, dérivée de Pb, shapiro r, s


Pulsars et gravitation

Impulsions individuelles

0737-3039B est visible

sur une partie de l'orbite

seulement

entre 195 et 230°

et on voit 0737-3039A

dans le fond


Pulsars et gravitation

30 secondes d'éclipse du pulsar A par la magnétosphère de B

Kaspi et al. ApJ 613 (2004) L137


Pulsars et gravitation

Dans toute théorie de la Gravitation, les paramètres post-Képleriens

produisent des contraintes sur les masses du système

qui doivent etre cohérentes et s'intercepter en un point.

Ici, par exemple, on choisit

la Relativité Générale

et on regarde les contraintes

sur les masses apportées par

toutes les mesures

de paramètres post-Képleriens.

C'est cohérent et on obtient :

MA=1.338(1) MB=1.249(1)Mo


Pulsars et gravitation

Tests des théories de la gravitation

Formalisme regroupant toutes

les théories de la Gravitation

ou chaque point (b'b'')

est une théorie différente


Pulsars et gravitation

PLAN

le décor

les pulsars radio

la chronométrie et ses applications

la physique

conclusion


Pulsars et gravitation

Les pulsars binaires, restes de l'explosion

des plus grosses étoiles

permettent les tests les plus performants des différentes théories

de la Gravitation existantes.

La Relativité Générale d'Einstein s'en sort bien pour l'instant!

Les mesures de temps d'arrivée

sont effectuées avec

les plus grands radiotélescopes du monde

Ismaël Cognard [email protected]

http://lpce.cnrs-orleans.fr/~icognard/


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