École de Physique des Astroparticules - IV
Ondes Gravitationnelles

Motivations

Grâce à la mise en opération d'une seconde génération d'instruments, nous sommes à l'aube d'une première détection directe des ondes gravitationnelles. On s'attend à ce qu'elles soient émises lors d'événements astrophysiques violents, possiblement associés à d'autres types d'émission observables dans le spectre électromagnétique ou de neutrinos comme, par exemple les sursauts gamma. Ceci motive la mise en corrélation des futures observations gravitationnelles avec celles de l'astronomie conventionnelle. C'est une telle astrophysique (multi-messagers) qu'il est aujourd'hui opportun d'élaborer en réunissant les diverses communautés impliquées, autant dans l'observation que dans les aspects théoriques.

Cette école thématique du CNRS se propose de réunir des experts d'un large spectre de disciplines, incluant des spécialistes de sources d'ondes gravitationnelles et de leur modélisation, des physiciens des hautes énergies, aussi bien spécialistes de la phénoménologie des sources astrophysiques associées que des différents types d'observations. Les objectifs sont de permettre des échanges de compétences entre les intervenants représentant leurs communautés scientifiques et de contribuer à la formation d'une nouvelle génération de jeunes chercheurs dans ces domaines.

Contexte Scientifique
Une onde gravitationnelle correspond à une modification des propriétés métriques de l’espace qui se propage dans l’univers à la vitesse de la lumière. Aujourd’hui, leur détection directe est devenu un des enjeux importants de la physique, elle permettra de tester de façon approfondie la relativité générale d'Einstein et d'ouvrir une nouvelle fenêtre sur l'Univers avec des retombées en astrophysique et en cosmologie.

    Vu l’importance du projet scientifique et des développements technologiques, c’est dans une collaboration internationale que le défi expérimental pour leur détection a été proposé. Il se décline en trois approches complémentaires pour ce qui est de leur couverture spectrale : les interféromètres au sol (Virgo, LIGO, etc.) allant de 10 Hz – 10 kHz, dans l’espace, comme eLISA/NGO allant de quelques mHz à une fraction de Hertz et le timing de pulsars en réseau couvrant les très basses fréquences (~nHz). Une première génération de détecteurs, mise en service il y a quelques années, a permis de valider les choix technologiques et instrumentaux permettant ainsi la métrologie de très grande précision. Dès 2016, elle laissera place à une seconde génération possédant une sensibilité dix fois meilleure, pouvant observer ainsi un volume d'univers mille fois plus large, et permettant (probablement) la première détection directe des ondes gravitationnelles.

Parmi les sources d'ondes gravitationnelles, les événements astrophysiques violents (coalescences, effondrement gravitationnel) mettant en jeu des objets denses, comme les étoiles à neutron et les trous noirs, peuvent s'accompagner d'émissions électromagnétiques et de particules (des neutrinos en particulier) de haute énergie. L'observation d'une contrepartie électromagnétique (dans le domaine du visible, des rayons X, gamma, radio...) ou neutrino (de basse ou haute énergie) pourrait alors être un ingrédient dans l'identification de l’origine astrophysique d'une onde gravitationnelle.

    Cette expectative motive une « approche multi-messagers », visant à corréler les observations des détecteurs d'ondes gravitationnelles avec celles d'autres modes observationnels. Ce choix de technique d’observation requiert des coopérations avec les télescopes optiques permettant des visées rapides sur un mode opportuniste « robotisés » et avec les projets de grands relevés du ciel transitoire dans les bandes radio avec LOFAR ou optique/proche infra-rouge avec LSST. Une bonne synergie existe également à plus haute énergie, concernant la recherche des sursauts-gamma via les projets Fermi ou Swift ainsi que de la mission sino-francaise SVOM. Dans le spectre neutrino, des travaux ont été initiés avec ANTARES et peuvent se prolonger naturellement avec le futur détecteur européen KM3.

Le CNRS est fortement impliqué dans les détecteurs au sol à travers Virgo. La première génération a démontré la faisabilité de ces expériences en menant des campagnes d'observation à la sensibilité prévue, et faute d'une détection a permis d'établir des limites astrophysiques intéressantes sur les sources. Elle a par ailleurs vu l'avènement d'un fonctionnement des différents détecteurs en réseau ainsi que les premiers pas d'une astronomie multi-messager impliquant les ondes gravitationnelles. Bientôt, la deuxième génération, avec une sensibilité accrue d'un facteur 10 (Advanced Virgo, Advanced LIGO...), offrira des perspectives riches et la promesse d'une véritable astronomie gravitationnelle. A plus long terme, le projet européen de troisième génération, le Einstein Telescope (ET), permettra de sonder l'Univers en profondeur. C’est l'un des "Sept magnifiques", les projets européens recommandés par le réseau ASPERA pour le développement futur de la physique des astroparticules en Europe.

Par mesure d’efficacité, la recherche sur les ondes gravitationnelles représente un effort mondial, les informations sur les sources ne pouvant être obtenues qu'avec plusieurs interféromètres fonctionnant simultanément sur différents sites. Les communautés scientifiques aux États-Unis (LIGO), en Allemagne - Royaume-Uni (GEO600) et en Italie - France et Pays Bas (Virgo) partagent les technologies, la R&D et les avancées théoriques, ainsi que les méthodes pour l’analyse des données. Le projet européen ET contribuera à améliorer cette collaboration à travers le monde.

LES GRANDS AXES DU PROGRAMME

Le programme de cette école met en évidence les point forts des thèmes suivants :
  • Ondes gravitationnelles
  • Multi messagers : Sursauts gamma, rayonnement X
  • Neutrino de haute énergie
  • Objets astrophysiques compacts
  • Processus et sources d’émission à haute énergie
Il vise à couvrir autant les aspects observationnels que théoriques.

Comité Scientifique

Michel Boer, Théories, Expériences, Métrologie, Instrumentation, Signaux (ARTEMIS)
Josè Busto
, Centre de Physique des Particules
de Marseille
Eric Chassande-Mottin, Astroparticule et Cosmologie (APC)
Paschal Coyle, Centre de Physique des Particules de Marseille
Bernard Degrange
, Laboratoire Leprince-Ringuet

Yves Gallant, Laboratoire de Physique Théorique et Astroparticules
René Goosmann, Observatoire astronomique de Strasbourg (UNISTRA)

Stavros Katsanevas, Astroparticule et Cosmologie
J
ürgen Knödlseder, Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie
Julien Lavalle, Département de Physique Théorique, Université de Turin
Benoit Lott
, Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux Gradignan
Frédérique Marion, Laboratoire d'Annecy le Vieux de Physique des Particules (LAPP)
Jean Orloff, Laboratoire de Physique Corpusculaire, Clermont-Ferrand

Etienne Parizot, Astroparticule et Cosmologie
Guy Pelletier
,
Institut de Planétologie et Astrophysique de Grenoble
Pierre Salati, Laboratoire d'Annecy le Vieux de Physique des Particules
Roland Triay
, Centre de Physique Théorique


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