Mise à jour le 29 Novembre 2011
                                                                                                                                                    
     
CONFÉRENCE d’Éric GOURGOULHON
Astrophysicien Observatoire de Paris LUTh
Directeur de recherche CNRS
"LES TROUS NOIRS, À LA VEILLE
D’UNE NOUVELLE ÈRE OBSERVATIONNELLE"
Organisée par la SAF
Dans ses locaux, 3 rue Beethoven, Paris XVI
 
Le Samedi 26 NOVEMBRE 2011 à 15H00 
à l'occasion de la réunion de la Commission de Cosmologie.
 
Photos : JPM pour l'ambiance. (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos si nécessaire
(Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation complète (en pdf) elle est disponible sur le site de la SAF et également disponible sur ma liaison ftp au téléchargement et s'appelle. Cosmo-trous_noirs-2011.pdf elle est dans le dossier COSMOLOGIE SAF de la saison 2011-2012,).
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.
Pour info les actualités cosmo présentées ce jour là sont aussi disponibles sur le site de la commission.
 
 
 
BREF COMPTE RENDU
 
La présentation de l’auteur étant disponible au téléchargement, le compte rendu sera succinct.
 
Encore une salle bien pleine pour cette séance de cosmologie !
 
 
 
 
 
Éric Gourgoulhon est astrophysicien au LUTh (Laboratoire Univers et Théories) à l’Observatoire de Paris Meudon.
Il est spécialisé dans l’Univers des trous noirs et des ondes gravitationnelles.
 
Il a écrit de nombreux articles dans les revues spécialisées, notamment le dernier dans l’Astronomie de Décembre, sur les neutrinos « supraluminiques ».
 
Pour cette séance de la commission de cosmologie il fait le point sur les trous noirs et les nouvelles possibilités observationnelles.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LES TROUS NOIRS : ASPECT THÉORIQUE.
 
 
Le concept de vitesse de libération d'un corps soumis à l'attraction gravitationnelle d'un autre corps est fondamental en astronomie, car il est lié au phénomène des orbites spatiales, au fait que certaines planètes ont perdu leur atmosphère, et même au concept (très ancien d'ailleurs) de trou noir (TN).
 
Dans la théorie de Newton, la vitesse de libération (escape velocity en anglais) est donnée par la formule (voir cours de classe de seconde)  avec M la masse du corps principal et R la rayon de l’orbite :
 
Que remarque-t-on de cette formule : la vitesse orbitale ne dépend pas de la masse du corps en orbite, c'est fondamental.
On sait que  G= 6,67 10-11 N m2 kg-2 (M= 6 1024kg et R= 6400km pour la Terre) d'où
Pour la Terre cela donne le chiffre bien connu de :Vl (Terre) = 11,2km/s
(pour le Soleil cela donnerait 617km/s !)
 
 
 
Au XVIIIème siècle l'Anglais John Michell et le Français Pierre Simon de Laplace se sont intéressés au concept de vitesse de libération de la théorie de Newton sur la gravitation.
Ils se demandèrent ce qui pouvait se passer si l'astre devenant si petit et si dense, la vitesse de libération atteignait la vitesse de la lumière. Ils en conclurent (incroyable pour l'époque!) que rien ne pouvait plus s'échapper et notamment la lumière.
Ce fut l'acte de naissance du concept de trou noir.
 
Pour un astre de même masse que le Soleil mais de rayon 3km, la vitesse de libération est de 300.000 km/s (Vitesse de la lumière).
 
De même pour une masse donnée, le rayon limite qui aboutit à une vitesse de libération de 300.000km/s est appelé RAYON DE SCHWARZSCHILD.
 
Tous les corps ont un rayon de Schwarzschild : la Terre : 1cm; un homme (!) : 10-25m etc.
La sphère ayant pour rayon, le rayon de Schwarzschild est appelée "horizon" du trou noir.(event horizon en anglais)
 
 
Mais les vitesses ou masses mises en jeu avec les TN, imposent que leur théorie soit faite en utilisant la Relativité Générale (RG) d’Einstein.
 
 
La RG introduit la notion d’espace-temps et décrit la gravitation comme une courbure de cet espace-temps.
 
 
On définit le degré de relativité d’un corps par le facteur de
COMPACITÉ, égal au carré du rapport de sa vitesse de libération par rapport à la vitesse de la lumière.
 
Pour la Terre il est de 10-10 pour une étoile à neutrons de 10-1 et bien entendu pour un TN il est de 1.
 
 
 
 
Quelques points de repères historiques :
 
·        En 1915 Einstein établit la RG
·        En 1916 Schwarzschild trouve une solution de l’équation d’Einstein. Rayon de Schwarzschild : Rs = 2GM/c2
·        En 1920 Eddington dit qu’aucune lumière ne peut sortir d’un corps ayant R<Rs
·        En 1932 Lemaître parle de la singularité
·        En 1939 Oppenheimer et Snyder parlent d’effondrement gravitationnel quand R à Rs
·        En 1960 Wheeler et Kruskal ont une vision complète de l’espace-temps de Schwarzschild
·        En 1963 Kerr donne une solution pour un TN en rotation
·        En 1964 Salpeter et Zeldovitch annoncent que les quasars tirent leur énergie des TN super massifs
·        En 1967, seulement, c’est Wheeler qui invente le terme de trou noir
 
 
LE TROU NOIR EN RELATIVITÉ GÉNÉRALE.
 
 
Un trou noir est une région de l’espace-temps d’où les photons ne peuvent sortir.
 
La frontière (immatérielle) entre le TN et le reste de l’Univers est appelée Horizon des évènements (event horizon en anglais).
 
Illustration : diagramme de l’espace-temps montrant la formation d’un TN par effondrement d’une étoile.
 
En bleu-vert les photons qui réussissent à s’échapper; en rouge ceux qui ne peuvent pas s’échapper et qui restent à l’intérieur de l’horizon des évènements.
À l’intérieur du cylindre gris : vide.
 
Vue par un observateur, l’approche de l’horizon se traduit par un décalage vers le rouge et par une dilatation du temps infinis.
 
 
 
 
PROPRIÉTÉS DES TN : THÉORÈME D’UNICITÉ.
 
 
Un trou noir est défini par seulement trois paramètres :
·        Sa masse M
·        Son spin, c'est à dire une quantité liée à la rotation de ce corps J
·        Sa charge électrique (supposée nulle) Q
 
 
La solution de Schwarzschild correspond à J=0 et Q=0.
 
La solution de Kerr correspond à Q=0.
 
 
 
 
 
 
 
 
C’est donc un objet extrêmement simple et « lisse », ce que John Wheeler, fervent amateur d’expressions savoureuses, traduisit par :
un TN n’a pas de cheveux !
 
 
 
OBSERVATIONS ACTUELLES.
 
 
Les trous noirs provoquant un effet de lentilles gravitationnelles, donc apparition d’images secondaires, notre ami A Riazuello avait imaginé un TN passant devant le nuage de Magellan, voir le CR de sa conférence.
 
Chaque étoile ou objet aurait son double, cela se voit mieux sur cette image commentée de sa présentation.
 
 
Mais comme le dit notre conférencier, on n’en est pas encore là !
 
 
 
 
 
 
 
 
Un TN est une source d’énergie formidable, il y a libération d’énergie potentielle gravitationnelle par accrétion autour de de TN, elle est de l’ordre de 42% de l’énergie de masse de la matière accrétée !! (Pour information, une bombe H : 1% seulement !).
 
La matière tombant sur un TN forme un disque qui peut ressembler à cette représentation de J.A. Marck et son explication graphique.
 
 
 
 
 
 
 
Les trous noirs sont particulièrement importants au cœur des quasars comme pour 3C 273 ou au centre des galaxies à noyaux actifs comme M87 (un TN de 3 milliards de masses solaires !).
 
 
Nombreux trous noirs aussi dans les étoiles binaires X comme on le voit dans le tableau ci-après.
 
 
 
 
En ce qui concerne notre propre Galaxie, le trou noir central a été mis en évidence par l’étude du mouvement des étoiles proches de ce centre sur une période de 15 années.
 
Cela a donné naissance à ce film de nos amis du Max Planck Institute, qui n’est pas une animation mais un vrai film des relevés des positions des étoiles sur la période considérée.
 
 
Manifestement elles tournent autour de quelque chose de très massif : un TN. Sa masse : 4 millions de masses solaires.
 
 
 
Illustration : orbite de l’étoile S2 autour du TN central de notre Galaxie de 1992 à 2010.
 
 
 
 
 
Mais notre TN central n’est pas le plus massif il y en a d’autres que l’on trouve sur ce tableau :
 
 
Nom
Masse en
Masses Solaires
Distance en
millions d’al
Diamètre apparent en micro arc sec
Sgr A*
4,3 106
0,027
53
M 31
1,6 108
2,5
20
M 81
8 107
13
2
NGC 4258
3,8 107
23
0,5
M 87
3,6 109
55
21
MCG-6-30-15
4 106
120
0,01
 
 
On imagine même maintenant détecter l’horizon et mesurer le spin de TN.
Par exemple en mesurant la raie K alpha du Fer comme pour la galaxie MCG-6-30-15 observée par XMM Newton.
 
 
 
UNE NOUVELLE ÈRE OBSERVATIONNELLE.
 
 
On s’approche de plus en plus de la détection du Rayon de Schwarzschild.
 
 
Pour le futur, la solution viendra de l’interférométrie comme le VLBI.
 
Dans le même domaine et dans le futur proche : le réseau ALMA en cours d’élaboration et plus loin dans le futur ; le télescope Event Horizon.
 
Vers 2014 le projet Gravity devrait voir le jour au VLT, c’est la combinaison des 4 grands télescopes avec les 4 petits pour interférométrie.
 
 
 
 
D’autres observations, celles là spatiales, sont envisagées : NUSTAR , ASTROSAT, Athena etc..
 
 
Autre méthode, tout à fait différente : l’observation des ondes gravitationnelles (OG) émises par les TN.
 
De nombreux projets sont en cours comme :
·        VIRGO n’a encore rien détecté
·        LIGO idem
·        LISA/NGO dans le futur, devrait être mis en orbite terrestre.
 
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN.
 
 
Les trous noirs et l'énergie sombre : CR de la conf. de JP Luminet aux RCE 2006 le 11 Nov 2006
 
Jérôme PEREZ  : La saga des trous noirs ; CR conf. du 6 Juillet 2009
 
Reinhard Genzel : Sur les trous noirs massifs UNESCO 16 Janv. 2009
 
H Reeves sur les Trous Noirs CR conférence aux RCE 2008
 
Les trous noirs géants par S Collin Obs de Paris le 19 Janvier 2005 SAF
 
Voyage autour (et à l'intérieur) d'un trou noir : CR de la conf. A Riazuelo à la SAF le 28 Juin 2008
 
How Black Holes Affect Gravity par JP Luminet
 
Un trou noir au centre de notre Galaxie par l’Observatoire de Paris.
 
The orbit of the star S2 around Sgr A* from VLT and Keck data par R Genzel et al.
 
Un site entièrement dédié aux trous noirs 
 
À l’intérieur d’un Trou Noir par N. Rumiano.
 
Black Holes FAQ (Frequently Asked Questions) par Berkeley
 
Spinning Black Hole Pushes the Limit par le CfA d’Harvard.
 
Le TN de MCG-6-30-15, un APOD à ce sujet.
 
GYOTO: a new general relativistic ray-tracing code article par E Gourgoulhon et al.
 
 
 
Bon ciel à tous
 
Jean Pierre MartinSAF Président de la Commission de Cosmologie
www.planetastronomy.com
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