Ecole de Physique des Astroparticules
27 mai - 1 juin 2013
OHP, Saint Michel l'Observatoire

Ondes Gravitationnelles

Les pulsars: un outil de test de la gravité en champ fort

Jérôme PÉTRI 
  Observatoire Astronomique de Strasbourg

Cours
Ce cours a pour but de présenter de manière synthétique l'essentiel de nos connaissances sur les 2000 pulsars détectés à ce jour. On évoquera en particulier leur application en tant qu'horloge cosmique de très haute précision. Objets compacts d'un riche intérêt physique et astrophysique en soi, les pulsars servent aussi d'outil de diagnostic et de sondage du milieu interstellaire et galactique. Bien que le mécanisme de fonctionnement d'un pulsar ne soit pas encore élucidé, leur impressionnante stabilité temporelle permet de les utiliser comme horloge d'une extrême précision. Cette propriété est fondamentale pour leur chronométrage car elle rend possible la détection des ondes gravitationnelles et plus généralement offre un moyen de tester les théories de la gravité en champ fort.
Chapitres
  1. Le phénomène pulsar
    1. émission radio
    2. émission haute énergie (optique, X, gamma)
    3. paramètres de base et ordres de grandeur
    4. approche phénoménologique
  2. La magnétosphère des pulsars
    1. vue d'ensemble
    2. les modèles d'émission
  3. Les pulsars comme outil de détection
    1. sondage de la Voie Lactée
    2. détection de planètes
    3. équation d'état de la matière supra-nucléaire
    4. détection des ondes gravitationnelles
  4. Tests de la gravitation relativiste
    1. le chronométrage des binaires relativistes
    2. le pulsar binaire PSR~B1913+16
    3. le pulsar double PSR~J0737-3039
  5. Perspectives


Résumé

Malgré leur découverte il y a plus de 40 ans, les pulsars restent des objets compacts au fonctionnement énigmatique. Ce cours a pour but de synthétiser, tant du point vue observationnel que théorique, nos connaissances actuelles de cette classe particulière d'étoiles à neutrons.

Dans une première partie, nous rappellerons certaines données observationnelles de base pour fixer les ordres de grandeur (rayon de l'étoile, vitesse de rotation, champ magnétique, énergie rayonnée) ainsi que les propriétés de leurs spectres, des ondes radio aux rayons X et gamma.

Dans une deuxième partie, nous passerons en revue les principaux modèles de magnétosphère de pulsar qui prédisent la formation d'un vent relativiste dont cette magnétosphère serait la source. Nous en dégagerons une vue d'ensemble, de la surface stellaire à la nébuleuse environnante.

Dans une troisième partie, nous montrerons que les pulsars ont permis de cartographier les électrons dans la Voie Lactée ainsi que le champ magnétique galactique. Le chronométrage précis des variations de la période a permis de détecter la première planète autour d'un pulsar et démontré indirectement l'existence des ondes gravitationnelles.

Dans une dernière partie, nous montrerons comment contraindre les théories de la gravitation relativiste à partir de l'observation des étoiles à neutrons binaires contenant un voire deux pulsars. Nous détaillerons le cas exceptionnel du pulsar double PSR~J0737-3039 pour lequel les mesures de la masse des deux étoiles à neutrons sont d'une précision remarquable. Les observations sont en accord avec la théorie de la relativité générale, aux incertitudes près.

 
Bibliographie
  • Livres
    • Theory of Neutron Star Magnetospheres, F.C. Michel, University of Chicago Press, 1991.
    • Physics of the Pulsar Magnetosphere, A.V. Gurevich, V.S. Beskin & Ya.N. Istomin, Cambridge University Press, 2006.
    • Rotation and Accretion Powered Pulsars, Pranab Ghosh, World Scientific Publishing Company, 2007.
    • Pulsar Astronomy, A. Lyne & F. Graham-Smith, Cambridge University Press, 2006.
    • Handbook of Pulsar Astronomy, D. Lorimer & M. Kramer, Cambridge University Press, 2004.
  • Revues
    • The Double Pulsar, M. Kramer & I. Stairs, ARA&A, 2008, 46, 541-572.
    • Testing General Relativity with Pulsar Timing, I. Stairs, Living Reviews in Relativity, 2003, 6, 5.
    • The double pulsar system: a unique laboratory for gravity, Kramer M. & Wex N., Classical and Quantum Gravity, 2009, 26, 073001.
Cours
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