Transcript horloge_pulsar

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.
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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
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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 60x60x24 = 86400 secondes.
TE : l'année tropique 1900 contenait par définition 31 556 925,9747 s.
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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.
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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
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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 :
 1017 / 3600 / 24 / 365.25
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~ 1 s sur 30 106 années.
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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
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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 des 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.
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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/m3
4/3 p (10000)3
V
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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.
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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
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Périodes des Pulsars
Les périodes des 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.
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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.
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Pulsar milliseconde performances
Mais depuis l’observation a montré que certains pulsars milliseconde
étaient tarés :
- présentent des sursauts de fréquences appelés « glitch » (français « accroc » ?)
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Comparaison actuelle de la précision des horloges (2012)
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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
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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
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Pulsars : Graphique Période / Dérivée de la période (ralentissement)
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Pulsars : Graphique Période / âge
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Pulsars : histogramme des périodes
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Voir le pulsar
Le pulsar de la nébuleuse du Crabe
En lumière visible
En rayon X
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PSR B0531+21 – le Pulsar de la Nébuleuse du crabe M1
Variations
Pulses
30 ms
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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.
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… FIN
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