20121214 Lhorloge astronomique du ciel Phm Obs Lyon

2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel Phm – Obs. Lyon 2012

Premières horloges astronomiques Basées sur la rotation de la Terre (position du Soleil) La première horloge astronomique fut le cadran solaire. Premiers exemplaires connus : Egypte Horloge solaire égyptienne (Thoutmôsis III règne -1504 à -1452) Aboutissement mathématique avec l’astrolabe Reconstitution de l'horloge solaire décrite à Abydos (Séthi Ier règne 1294 à -1279 Puis vinrent les horloges mécaniques réglées sur le temps solaire. 2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel ► 2

Horloges astronomiques mécaniques L’horloge astronomique existe depuis longtemps : Lyon en possède un exemplaire ancien remarquable, antérieur à 1383. Dans le transept Nord de la cathédrale Saint-Jean. Sa fiabilité était très faible. Son histoire est parsemée de longues périodes où elle était arrêtée faute d’entretien. Elle possède un astrolabe 2012/12/14 ► L'horloge astronomique du ciel 3

Horloges astronomiques Les horloges mécaniques se perfectionnent, mais sont toujours recalées sur les observations astronomiques. - mesures à la lunette méridienne pour recaler le temps solaire - actuellement par interférométrie à très longue base de quasars lointains - mesures internationales permanentes. On uniformise par l’heure GMT (à partir de 1843), remplacée par le Temps Universel (TU). Puis le temps des éphémérides (1960 à 1967). Ces deux temps permettent de définir l’étalon de temps : la seconde. TU : le jour solaire moyen comporte 60 x 24 = 86400 secondes. TE : l'année tropique 1900 contenait par définition 31 556 925, 9747 s. ► 2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel 4

Horloges à quartz, horloges atomiques, précision Les irrégularités de la rotation de la Terre et les progrès des horloges à quartz puis des horloges atomiques ont détrôné le ciel comme référence de temps. Il faut pouvoir définir la précision de ces garde-temps. On trouve souvent ce diagramme Diagramme d’Allan Abscisses : durée des échantillons de mesures Ordonnées : rapport des fluctuations statistiques sur la durée d’observations N. B. : les échelles sont toujours logarithmiques. 2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel ► 5

Mesure de la précision des horloges Variance classique : Ecart type classique : Variance d’Allan où les yn sont les échantillons successifs d'écarts de fréquence, et est le pas d'échantillonnage. On étudie les différences successive que l’on normalise (signes ). L’écart type est sans dimension ► 2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel 6

Mesure de la précision des horloges Abscisses : durée des échantillons de mesures Ordonnées : rapport des fluctuations statistiques sur la durée d’observations Signification A très court échantillonnage : mesure des fluctuations statistiques de bruit. - varie comme l’inverse de la racine carré du temps d’observation (c’est un bruit gaussien). A longue durée du pas d’échantillonnage : mesure de la dérive. Le minimum donne la précision de l’horloge. Exemple - maser à hydrogène : imprécision de 10 -15 à 100 secondes. Imprécision de 10 -15 sur une seconde. Décalage possible d’une seconde en 1017 secondes : 2012/12/14 1017 / 3600 / 24 / 365. 25 ~ 1 s sur 30 106 années. L'horloge astronomique du ciel ► 7

Nouvelle horloge astronomique Le ciel plein de ressource nous fourni un objet à rayonnement périodique. L’horloge atomique du laboratoire et ses appareils de mesures sont remplacés par : - des étoiles particulières rayonnant dans les ondes radios : les pulsars - des radiotélescopes 2012/12/14 ► L'horloge astronomique du ciel 8

Petit historique des pulsars Les pulsars émergent en février 1968 (Hewish et al. , 1968) : annonce d’un étrange objet pulsant (découvert en décembre 1967). - rapidement proposé comme des étoiles à neutrons - en juin découverte du cinquième pulsar. Un modèle de pulsar est bientôt établi. Il consiste en une étoile à neutron avec un fort champ magnétique tournant rapidement (Gold, 1968). Modèle corroboré par la découverte de deux pulsars dans les restes d’explosions de supernovae, génératrices d’étoiles à neutrons. On découvre aussi rapidement : • l’allongement graduel des périodes pulsars. • les mesures de polarisation montrant la rotation de la source émettrice (1969). En 1995, 706 objets dans Catalog of Pulsars (Taylor 1995), 2008 en 2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel ► 9

Caractéristiques Les pulsars vestiges radio de l'explosion de grosses étoiles (supernovae). Après cette violente explosion, seul subsiste au centre un cœur constitué de neutrons. Si un champ magnétique suffisant on observe un rayonnement synchrotron dans un cône axé sur l’axe (champ peut atteindre 1011 teslas, Terre 5 10 -5 T). On reçoit un rayonnement radio sous forme d'impulsions brèves et régulières à la période de rotation de l'étoile sur elle-même. Dimension et masse : - Masse : 1. 4 masses solaires - Rayon : 10 à 20 km ► Calculer sa masse volumique. 2 1030 kg m r = ——————— = 4. 8 1017 kg/m 3 4/3 p (10000)3 V ► 2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel 10

Pulsar milliseconde recyclé Mais, c'est après une quinzaine d'années (1982) d'effort de recherche d'un nombre toujours plus grand de pulsars, que le premier pulsar ''milliseconde recyclé'' fut découvert. Avec des périodes de l'ordre de la milliseconde et des stabilités de rotation à long terme rivalisant avec celles des horloges atomiques, les applications à la métrologie ont été relancées. ► 2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel 11

Pulsar milliseconde recyclé Dans un système binaire, pulsar+étoile normale - Le pulsar s’éteint doucement - L’étoile évolue vers le stade géante rouge - Elle déverse sa matière captée par le pulsar - Qui se ré accélère (conservation du moment d’inertie) - Et se réactive par l’énergie gravitationnelle récupérée - Il est de nouveau détectable ► 2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel 12

Périodes Pulsars Les périodes pulsars paraissent à l’échelle humaine très stables. La décroissance de la période peut être mesurée avec précision. Taux de décroissance (dérivée de la période) très stable. Valeurs typiques : - Pulsar classique P = 1 sec . dérivée de la période P = 10 -15 s/s - Pulsar milliseconde recyclé P = 0. 005 sec . dérivée de la période P = 10 -20 s/s Connaissant avec précision la période et sa variation, on peut se servir du comptage des pulses pour faire horloge de référence à très longue distance. ► 2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel 13

Pulsar milliseconde performances Diagramme d’Allan En 1991, comment on voyait le pulsar parmi les autres horloges. Les hautes fréquences étant très bruités, on pouvait améliorer vers les basses fréquences par l’observation à long terme. 2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel ► 14

Pulsar milliseconde performances Mais depuis l’observation a montré que certains pulsars milliseconde étaient tarés : - présentent des sursauts de fréquences appelés « glitch » (français « accroc » ? ) ► 2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel 15

Comparaison actuelle de la précision des horloges (2012) ► 2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel 16

Catalogage des pulsars Australia Telescope National Facility ou ATNF. Site http: //www. atnf. csiro. au/people/pulsar/psrcat/ Permet de : - construire et télécharger le catalogue de tous les pulsars actuellement connus. - faire les diagramme avec choix, de tous les paramètres pris deux à deux. Au 14 décembre 2012 : 2008 pulsars ► 2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel 17

Catalogage des pulsars Site http: //www. atnf. csiro. au/people/pulsar/psrcat/ Les tableaux affichés en page html, peuvent être mise en page de tableur. Intérêt : travailler sur une base de données conséquentes, pour faire des tris, des relations entre paramètres, des tracés d’emplacement sur la sphère céleste, etc - faire les diagramme avec choix, de tous les paramètres pris deux à deux. Au 14 décembre 2012 : 2008 pulsars ► 2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel 18

Pulsars : Graphique Période / Dérivée de la période (ralentissement) ► 2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel 19

Pulsars : Graphique Période / âge 2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel 20

Pulsars : histogramme des périodes ► 2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel 21

Voir le pulsar Le pulsar de la nébuleuse du Crabe En lumière visible En rayon X ► 2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel 22

PSR B 0531+21 – le Pulsar de la Nébuleuse du crabe M 1 Variations Pulses 30 ms 2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel ► 23

Mes emprunts Parmi d’autres…. Pulsars et applications à la métrologie Ismaël Cognard JOURNEES DU CNFRS, "Métrologie et capteurs en électromagnétisme", MEUDON, 2004 En fichiers dans les documents fournis cnfrs-cognard. pdf Et plus particulièrement la page 6, avec la comparaison des constructions des Temps pulsar, Temps des éphémérides et Temps atomiques. Reviews of Modern Physics, 66 No. 3, 711– 719, 1994 Binary Pulsars and Relativistic Gravity by Joseph H. Taylor, Jr. Pour l’historique du début. ► 2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel 24

… FIN 2012/12/14 L'horloge astronomique du ciel 25