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the ligo experiment
Prédites par Albert Einstein (qui d’autre ?) il y a un siècle, ce n’est que très récemment qu’elles sont détectables et c’est aujourd’hui que leur détection a été confirmée pour la première fois : ce sont les ondes gravitationnelles.

Dans un univers où règnent des champs quantiques (champ gravitationnel, champ électromagnétique, etc.), les ondes sont des perturbations qui se déplacent à travers les champs quantiques, tout comme les vagues à la surface de l’eau qui trahissent la présence d’ondes se propageant dans l’eau.

Un astre, une étoile, ou tout objet massif déforme le champ gravitationnel et la structure de l’espace-temps. La déformation a lieue comme sur l’image qui suit, mais alors dans les trois dimensions de l’espace (et même celle du temps) :

déformation de l’espace temps
La déformation de la structure de l’espace temps par la présence d’une masse (source image)

Or, la lumière emprunte les lignes de l’espace temps : si ces lignes sont déformées par la présence d’un astre ou d’une étoile, alors la lumière suit une trajectoire courbée (pour la lumière, ça reste une ligne droite, mais pour un observateur extérieur, elle est courbée — c’est ça la relativité).
C’est un peu comme si on tirait une balle en acier avec un fusil et qu’on plaçait un aimant à proximité de la trajectoire de la balle : elle se fait dévier légèrement sur le côté de l’aimant.

Lors du passage d’une onde gravitationnelle, les lignes de l’espace-temps sont déformées localement et temporairement. Ces déformations ne sont pas perceptibles à l’œil nu, mais peuvent l’être grâce à des appareils ultra-sensibles, comme celui à l’Observatoire d’ondes Gravitationnelles par Interférométrie Laser, ou LIGO, de l’anglais.

Pour produire une onde gravitationnelle notable, un petit objet comme un aimant ou une pomme ne suffit pas : il faut au contraire un événement cosmique phénoménal mettant en jeu des masses considérables. Un de ces événements est la fusions de trou noirs ayant chacun un masse pouvant aller à plusieurs millions de systèmes solaires. La fusion de trou noirs est un événement suffisant pour produire des ondes gravitationnelles détectables même à des distances de plusieurs millions d’années lumières.

LIGO utilise un rayon laser rectiligne émis dans deux tunnels perpendiculaires d’une longueur de 4 km et qui va faire 200 allers-retours par un jeu de miroirs (pour un trajet total de 1600 km). Si une onde gravitationnelle passe à ce moment là sur les tunnels, alors la lumière va être très légèrement déviée dans l’un d’eux. On mesure la déviation par interférométrie, c’est à dire, pour simplifier, qu’on regarde le décalage entre les ondes des deux tunnels.
Cette méthode à base de lasers et ces 1600 km de trajets pour le rayon la laser donnent à LIGO une sensibilité remarquable de l’ordre de 1 unité sur 1 000 000 000 000 000 000 000, soit une déviation inférieure à 0,1% du centième du diamètre d’un proton !

Notes :

Image d’en-tête de LIGO, NSF, Aurore Simonnet, Sonoma State U.

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V0r4c3 a dit :
Très bien expliqué, on comprend tout de suite mieux ce "bazar".
J'en avait entendu parler à la radio aujourd’hui mais forcément, avec aucune explication ni détail, on passait vite de l'excitation à l'indifférence.

Donc je comprend mieux le principe de la déformation de l'espace temps, et du système de mesure utilisé. On a donc concrètement réussi à détecter et mesurer ces interférences.
Mais ensuite : quoi ?
Je suppose que cet évènement doit permettre de valider plusieurs théories et principes mathématiques, mais c'est tout ?
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Le Hollandais Volant a dit :
@V0r4c3 : Pour le moment on n’en est qu’à une nouvelle confirmation de la théorie de la relativité générale.

Avant de dire « ça ne sert à rien », saches qu’on disait la même chose à Michael Faraday quand il découvrit l’induction électromagnétique dans les années 1850. À l’époque ça servait à amuser la galerie en faisant des étincelles ou en allumant une lumière avec un interrupteur.
De nos jours, il n’y a pas un appareil qui fonctionne sans électricité. Rien ne fonctionnerait si Faraday n’avait pas été là en son temps.


Pour en revenir à la découverte du LIGO : aujourd’hui, à part le GPS, je ne connais pas vraiment d’applications de la vie de tous les jours qui ont besoin de la théorie de la relativité pour fonctionner convenablement.
Mais dans quelques siècles, peut-être qu’une meilleurs compréhension de la structure de l’univers permettra des voyages interstellaires ou intergalactiques afin de peupler des exoplanètes (et prévoir notre survie ailleurs que sur Terre).
Pour le moment on n’est certes même pas encore au stade de voyages inter-planétaires, mais des projets sont prévues d’ici 5~10 ans déjà.

On mise sur le futur à long terme avec ces découvertes, comme ça a toujours été le cas en science.
C’est ça qui a toujours permis, et permet évidemment aujourd’hui encore, de faire tourner l’économie, d’améliorer le niveau de vie, de faire progresser la technique, la médecine et la santé…

Donc oui, c’est un grand pas pour la science, et c’est justement parce qu’on ne sait pas encore ce que cette découverte réserve pour l’avenir que c’est excitant : c’est justement ce qui se passe quand on fait de nouvelles découvertes, que ce furent la maîtrise du feu, la découverte de l’Amérique ou aujourd’hui celle des ondes gravitationnelles.


ÉDIT : aussi, maintenant qu’on a réussis à détecter des ondes gravitationnelles, on imagine une nouvelle ère en astronomie et astrophysique.
Jusqu’à présent, on n’observait l’univers qu’avec des photons que ce dernier émettait et qui nous arrivaient. À l’époque de Galilée et Newton, on faisait ça dans le domaine du visible. Depuis un siècle environ (un peu moins), on fait tout le spectre électromagnétique (rayons X, rayons Gamma, micro-ondes, infrarouge…).

Aujourd’hui, on a découvert des ondes non plus électromagnétiques, mais gravitationnelles. Un nouveau type d’œil a été ouvert par la science.
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Ashita a dit :
Salut Timo,

Petite question, quelle est la vitesse d'une onde gravitationnelle ? Celle de la lumière ?
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V0r4c3 a dit :
Merci pour ces précisions.

Pour reprendre mes interrogations il n'y avait absolument pas d scepticisme ou de mépris dans mes propos,
Je trouve en fait génial ces découvertes et je saisis tout a fait l'importance que pourras avoir cette mesure, tout comme l'ont été le Neutrino, boson de higgs ou découverte d'hexoplanete... ;
Mais j'avais du mal a saisir si cette découverte pouvait être exploitée dans l'immédiat ou pas.

Intéressant en tout cas cette idée de voir "les choses d'un nouvel œil".
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Sbgodin a dit :
Hello,

Merci pour l'article :-) Tu précises que « tout objet massif déforme (...) ». Cela sous-entends que ce qui n'est pas massif ne déforme rien. J'imagine qu'en fait « tout déforme », mais que les détecteurs actuels ne peuvent détecter que les ondes émises par les-dits objets massifs.

Autrement dit, un proton fait aussi de telles ondes, mais indétectables. Ou alors, il faut savoir sur quel critère on produit ou non des ondes gravitationnelles.
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Oli a dit :
Bonjour, merci beaucoup pour ces explications :)
J'aimerais en savoir plus.
Je comprends que la masse plie l'espace.
Mais, je ne vois pas comment les ondes gravitationnelles se propagent et oscillent ?
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Le Hollandais Volant a dit :
@V0r4c3 : D’accord, le truc du scepticisme, on l’entend beaucoup, c’est pour ça que j’ai peut-être été un peu fort sur ça ^^.


@Oli : si la masse plie l’espace, alors imagines que cette masse se déplace : la "pliure" se déplace donc aussi. Ensuite c’est comme un bateau dans l’eau qui se déplace : il se crée des sillons.
Les ondes gravitationnelles sont ces vagues dues à la présence d’une masse en mouvement, dans la structure de l’espace-temps.

Comme sur ce gif de la NASA : http://33.media.tumblr.com/a88e4a1952164f340a781609736c6ac2/tumblr_inline_o2e9qmL5Sx1tzhl5u_500.gif

@Sbgodin : en effet, un proton aussi génère des ondes gravitationnelles. Sauf qu’elles sont extrêmement faibles.
Avec une expérience comme LIGO, on ne peut détecter des ondes gravitationnelles dues à des phénomènes très puissants, comme des trou-noirs qui fusionnent. Et encore : bien qu’un trou noir pèse des dizaines de fois la masse de tout le système solaire, LIGO est incroyablement sensible. Si on veut détecter des ondes gravitationnelles d’une pomme qui s’écrase au sol, il faut des sensibilités beaucoup plus grandes, qu’on ne peut pas encore obtenir.

Pour le moment, on ne détecte que les ondes gravitationnelles les plus intenses. Avec la technique, ça va sûrement s’améliorer, mais on n’en est qu’au début :).

Sinon, oui les objets massifs déforment l’espace-temps. Mais un photon (de masse nulle) aussi : en fait c’est la présence d’énergie qui déforme l’espace-temps. La masse est une forme d’énergie (qui est particulièrement concentrée).

C’est pour ça qu’on parle de masse et non d’énergie (et aussi pour être plus compréhensible), même en réalité c’est bien l’énergie qui déforme l’espace-temps.
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lut1ternet a dit :
@Le Hollandais Volant : C'est bizarre à dire, mais on le saurait si elles se déplaçaient plus vite que la lumière ?
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ianux a dit :
@Le Hollandais Volant : Je ne suis pas sûr qu'un proton émette des ondes gravitationnelles. En effet, celle-ci sont émises lors d'un évènement violent où une partie de l'énergie est convertie en ondes gravitationnelles. Ainsi pour la détection qui a été annoncée, les ondes gravitationnelles ont été générées par la fusion de 2 trous noirs. Hors, la masse du trou noir qui en a résulté est inférieure à la somme des masses des 2 trous initiaux. C'est cette masse manquante qui a été convertie en ondes gravitationnelles (ainsi qu'en divers rayonnements électromagnétiques).

Donc à mon avis, un objet massif au repos, même s'il déforme l'espace-temps, n'émet pas d'ondes gravitationnelles.
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Le Hollandais Volant a dit :
@ianux : Si l’objet massique se déplace, les déformations de l’espace-temps se propagent, si.
J’ai pas été assez précis, effectivement, dans ma réponse on aurait pu lire qu’un objet au repos génère de l’énergie gravitationnelle (les ondes).

Il y a une partie de l’énergie (ou masse) qui est convertie en énergie gravitationnelle (les ondes à proprement parler). C’est ça qui fait que deux trou noirs en orbites l’une autour de l’autre finissent par se rapprocher et fusionner : leur écartement (distance) est réduite au fur et à mesure que l’énergie gravitationnelle est évacuée.

Mais oui, « au repos » il n’y a pas d’ondes émises (c’est la même chose qu’un bateau sur l’eau : pas de sillage, car pas de déplacement).


Du coup ça me fait une question : ça serait donc la variation du champ gravitationnel en un point donné qui génère ces ondes ? Un peu comme les variations du champ magnétique qui génère un courant électrique (et non pas juste la présence du champ magnétique) ?
Si je peux le formuler ainsi « c’est la variation de la densité d’énergie en un point donnée qui génère une onde gravitationnelle », ça ferait un beau parallèle avec l’électromagnétisme.
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Minipipo1 a dit :
@Le Hollandais Volant : Merci pour l'article qui permet de clarifier tout ça mais j'avoue que j'aurais aimé comprendre un peu mieux comment le LIGO a détecté ces ondes gravitationnelles. Si j'ai bien compris, c'est une histoire de dilatation et contraction de la matière, des deux tunnels que forment le LIGO d'ailleurs.
Et j'avoue que c'est là que je ne comprends pas vraiment, une onde gravitationnelle déforme la matière ? Comment ça se passe ? Pourquoi ?
Et apparemment cette déformation est minuscule (de l'ordre de 10^(-19)m), j'ai compris que l'interférométrie à une échelle aussi énorme permettait de détecter un changement aussi minuscule, mais comment espérer détecter un truc aussi petit alors qu'un atome (un milliard de fois plus gros que ce type de changement) n'est pas immobile, il vibre naturellement par sa température et en plus nous sommes à des échelles quantiques, pouvons-nous vraiment penser qu'un changement de la taille du tunnel n'est pas simplement dû à une vibration ou à un effet de la mécanique quantique ?

Je sais que je mélange tout mais c'est justement parce que tout est mélangé qu'il me semble difficile de conclure à la présence d'ondes gravitationnelles seulement à partir de la variation de la taille.
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Nico a dit :
@ Le Hollandais Volant:

Merci d'avoir pris en compte mon message.
J'aurais apprécié qu'il apparaisse tout de même (même avec un ajout pour signaler que les modifications ont été faites). D'autant plus que certains éléments soulignaient des idées fausses courantes et que c'est intéressant de les relever explicitement, et que d'autres éléments sont toujours valides avec le texte modifié.

@lut1ternet:

La méthode scientifique consiste à avancer un modèle théorique cohérent, qui explique les observations déjà effectuées, et de tester ce modèle dans des régions / conditions non observées (et donc en général extrêmes: si ce n'est pas extrême, on y a déjà regardé).
Lorsqu'on a vu le signal en question, celui-ci correspondait à des ondes gravitationnelles, mais ne correspondait à rien d'autres appartenant à un modèle cohérent.
Par conséquent, jusqu'à preuve du contraire, il s'agit d'ondes gravitationnelles "classiques", telle que décrite dans le modèle (et dans ce modèle, elles ne vont pas plus vite que la vitesse de la lumière)

Maintenant, p-e que dans le futur, on se rendra compte que des ondes gravitationnelles plus rapides que la lumière sont possibles, auquel cas, l'observation sera réinterprétée (tout comme ce qu'on appelait "électron" au moment de sa découverte à la fin du 19ème a depuis fortement évolué).
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Le Hollandais Volant a dit :
@Minipipo1 :
Si j'ai bien compris, c'est une histoire de dilatation et contraction de la matière, des deux tunnels que forment le LIGO d'ailleurs.


Pas de la matière, mais de l’espace (de l’espace-temps, même) !
La distance (les 250 km) varie donc quand une onde gravitationnelle passe dans un sens.

C’est l’espace-temps lui-même qui s’étire et se contracte. Vu que nous faisons partie de l’espace-temps, nous ne pouvons pas ressentir ça.
La lumière en revanche, voyage à la vitesse de la lumière.

Or celle-ci est une constante. C’est une constante fondamentale de l’univers. Donc si l’espace-temps est étiré, alors la lumière doit parcourir un petit bout de chemin en plus.

C’est ce petit bout de chemin en plus qui est détecté par interférométrie. Connaissant la longueur "normale" du trajet de la lumière, si on arrive à voir qu’elle est légèrement en retard (décalée sur une autre onde lumineuse), alors on sait qu’une onde gravitationnelle est passée par là.


Et apparemment cette déformation est minuscule (de l'ordre de 10^(-19)m), j'ai compris que l'interférométrie à une échelle aussi énorme permettait de détecter un changement aussi minuscule, mais comment espérer détecter un truc aussi petit alors qu'un atome (un milliard de fois plus gros que ce type de changement) n'est pas immobile, il vibre naturellement par sa température et en plus nous sommes à des échelles quantiques, pouvons-nous vraiment penser qu'un changement de la taille du tunnel n'est pas simplement dû à une vibration ou à un effet de la mécanique quantique ?


En effet, un seul interféromètre ne suffit pas : ça serait comme essayer de détecter une aiguille (notre signal) dans une botte de foin (tous le brouhaha de signaux alentours, dus en partie aux vibrations quantiques).
C’est pour ça qu’en réalité les mesures du LIGO ont été comparées aux résultats d’autres détecteurs, comme le VIRGO. Avec plusieurs détecteurs indépendants, on peut éliminer certaines sources de signaux parasites et ne garder que ce que l’on veut vraiment trouver.

Si tu veux une vidéo qui explique tout ça très bien, en plus complet que moi (mais en anglais) : https://www.youtube.com/watch?v=4GbWfNHtHRg
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Charpy a dit :
Super article, un régal de pouvoir comprendre ainsi des annonces qui seraient assez obscure sans un peu de vulgarisation !

Ces ondes peuvent elles être caractérisées avec une grandeur physique du type période/fréquence, ou cela n'a pas de sens ? Cela reste des ondes, donc j'imagine que lui... Et du coup elles se placeraient où par rapport aux ondes électromagnétiques classiques ?

Question bonus, est ce que ces ondes s'amorticent avec la distance/durée de déplacement ?

Merci en tout cas !
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Le Hollandais Volant a dit :
@Charpy : Je pense qu’elles peuvent être caractérisées par une fréquence, oui. Ce sont des perturbations périodiques du champ gravitationnel, donc il suffit de mesurer la distance (spatiale ou temporelle) entre les perturbations. Exactement comme avec les ondes électromagnétiques, qui sont des perturbations périodiques du champ électromagnétique.

Par rapport aux ondes électromagnétiques, elles s’y superposent. On peut voir les champs quantiques de l’univers (électromag, gravitationnelles, de higgs…) comme des calques qu’on superposent (sauf qu’elles ne seraient pas en 2D, mais en 3D+le temps). Elles sont donc toutes là, tout le temps.

La force de gravitation est néanmoins $10^35$ fois plus faible que la force magnétique : si on considère un clou en acier, alors la force magnétique d’un petit aimant arrive à compenser la force de gravité de toute la planète Terre ! Du coup, les ondes gravitationnelles sont très faibles aussi, et probablement d’une intensité d’environ $10^35$ fois plus faible aussi (si on pouvait les comparer).

La question bonus : oui, les ondes gravitationnelles s’amortissent avec la distance. J’imagine qu’à proximité d’un trou noir, les ondes gravitationnelles pourraient déformer l’espace suffisamment pour voir les distorsions de l’espace-temps à l’œil nu. Mais après c’est pareil : j’imagine qu’on peut imaginer des rayons rectilignes d’ondes gravitationnelles : des LASER gravitationnel, en somme.
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Michaël a dit :
Bonjour Timo et merci pour cet article.

C’est vraiment extraordinaire que cette nouvelle soit tombée alors qu’on vient juste de célébrer en décembre dernier le centenaire de la relativité générale.

Ce sujet m’intéresse et, du coup, j’ai suivi le lien que tu donnes vers le communiqué du Caltech. Grâce à toi, j’ai eu la curiosité d’en apprendre plus sur les ondes gravitationnelles et sur les interféromètres dédiés à leur détection.

Il est normal que ce soit maintenant à mon tour de partager avec toi ce que j’ai appris. Je me permets donc de te faire part de quelques imprécisions que j’ai relevées dans ton article.


« c’est aujourd’hui qu’elles ont été détectées pour la première fois »
Non, les ondes gravitationnelles ont en fait été détectées le 14 septembre 2014. Le jeudi 11 février n’est que le jour où l‘information a été communiquée officiellement. Il a fallu plusieurs mois entre les deux, car les chercheurs ont tout vérifié minutieusement et ont pris le temps de rédiger leur publication avant d’annoncer la découverte.
(voir le communiqué : https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20160211).

« LIGO utilise un rayon laser rectiligne émis dans un tunnel d’une longueur de 4 km et qui va faire 75 allers-retours (pour un trajet de 250 km). »
Chaque interféromètre se compose de deux bras perpendiculaires (ce que tu appelles des « tunnels »). Chaque bras fait 4 kilomètres de long et est parcouru par un faisceau laser qui fait 200 allers-retours (soit 400 longueurs), grâce à un jeu de miroirs. Chaque laser parcourt donc en fait 1 600 kilomètres, et non 250. D’ailleurs, accessoirement, 4×75 = 300.
Comme tu le dis, plus le chemin parcouru par les faisceaux est long, plus la sensibilité de l’interféromètre est grande. Le LIGO peut détecter une variation infime de la longueur de ses bras.
(voir le site du LIGO : https://www.ligo.caltech.edu/page/ligos-ifo).

Dans un commentaire en réponse à Minipipo1, tu a écrit :
« En effet, un seul interféromètre ne suffit pas […]
C’est pour ça qu’en réalité les mesures du LIGO ont été comparées aux résultats d’autres détecteurs, comme le VIRGO.
 »
Le détecteur VIRGO se situe en Italie, près de Pise. Il n’a pas pu détecté les ondes gravitationnelles en même temps que LIGO, car il n’est actuellement pas en service. Il subit des travaux qui visent à améliorer sa sensibilité. Il va reprendre du service progressivement à partir de cette année 2016. En fait, si les chercheurs ont pu comparer deux jeux de données, c’est que le LIGO lui-même possède deux interféromètres en fonctionnement : un à Livingston, en Louisiane, et un autre à Hanford, dans l’état de Washington. Par contre, il est exact que les scientifiques du VIRGO ont contribué à exploiter les données issues des détecteurs LIGO et qu’ils sont donc associés à la découverte.
(voir le communiqué : https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20160211).

C’est tout ce que j’avais à dire pour aujourd’hui. Quoi qu’il en soit, ce site est vraiment bien. Je t’encourage à continuer comme ça.
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fantasio a dit :
Passionnant tout ça! Merci pour l'article et les commentaires.

Quid du graviton? Est-ce que cette detection nous apprend quelque chose sur le sujet?
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Le Hollandais Volant a dit :
@Michaël : effectivement, j’ai mis à jour les chiffres. Merci !

@fantasio : le graviton serait la variante « corpusculaire » des ondes gravitationnelles, comme le photon est la variante corpusculaire des ondes lumineuses. Je pense qu’il faut attendre encore un peu pour pouvoir les détecter.
Vu qu’on a les ondes gravitationnelles, je pense qu’il viendra tôt où tard une expérience similaire aux fentes de Young, puis quelque chose pour confirmer la partie corpusculaire de ces ondes, et donc du graviton.

Pour le moment on n’en sait toujours pas plus, la découverte des ondes est déjà une grande découverte en soi.
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Charpy a dit :
Merci beaucoup !
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Pascalvp a dit :
@Le Hollandais Volant :

Concernant la vitesse des ondes gravitationnelles par rapport à celle de la lumière , il y a un paradoxe qu'avait exposé Hubert Reeves dans un de ses livres qui me m'obsède toujours. Le voici:

Imaginons qu'un malin génie fasse disparaître le soleil a l'instant. Nous le saurons que dans 8 minutes, mais durant ces 8 minutes quel sera le parcours de la terre toujours sur son orbite ? Ou en ligne droite . Selon moi si le puit gravitationnel du soleil venait à disparaître subitement alors la terre continuerai sa trajectoire en ligne droite pourtant nous recevrons encore des derniers photons partis juste après la disparition .

Ce paradoxe me hante depuis bien des années

Peut être quelqu'un pourra me dire où mon raisonnement se fourvoit
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Le Hollandais Volant a dit :
@Pascalvp : justement, le puit gravitationnel du soleil disparaît, mais l’information gravitationnelle qui va jusqu’à la Terre ne vont qu’à la vitesse de la lumière, donc la Terre ne va pas en ligne droite durant ces 8 minutes.
Après tout, une source de lumière, n’est qu’un puit à photons : si le puit disparaît, les photons déjà émis continuent d’exister.

Pour une autre analogie :
Vas d’un côté d’un lac et fait des vagues. Un bateau de l’autre côté va se mettre à réagir à ces vagues, après un moment égal au temps qu’il faut que ces vagues traversent le lac. Si tu arrête de faire des vagues, la bateau continuera d’osciller pendant un labs de temps, le temps que la dernière vague traverse le lac.
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Charpy a dit :
Pour info, pour ceux qui veulent contribuer à l'étude de ces ondes, vous pouvez mettre à disposition la puissance de calcul inutilisé de votre ordinateur.

Installez BOINC (https://boinc.berkeley.edu/) [Existe pour Windows, Linux, Mac, Android]
Ajoutez le projet "Einstein"

Le logiciel s'occupe de tout : lorsque vous n'utilisez pas votre ordinateur, il télécharge des morceau de calcul donné par l'un des projets LIGO ou par GEO600, puis votre ordinateur s'occupe à son rythme du calcul et renvoi le résultat une fois terminé.

En prime, pour pourrez si vous le souhaiter activer un écran de veille montrant la position actuellement étudié, ainsi que quelques données intéressantes (Explications ici: http://www.boincsynergy.com/einstein/starsphere-fr.html ).


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