Mise à jour le 30 Juin 2008

CONFÉRENCE d'Alain RIAZUELO

De l'Institut d'Astrophysique de Paris (IAP),
 "VOYAGE AUTOUR (ET À L'INTÉRIEUR) D'UN TROU NOIR"

Organisée par la SAF

Dans ses locaux, 3 rue Beethoven, Paris

Le Samedi 28 Juin 2008 à 15H00
à l'occasion de la réunion de la Commission de Cosmologie.

Photos : JPM pour l'ambiance. Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos si nécessaire. 

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Cette présentation ne comprend pas les nombreuses animations vidéo que l'on pourra trouver dans le DVD publié à l'occasion du numéro spécial de Sciences et avenir d'Avril 2008. il est à commander avec ce bulletin de commande et coûte 3,90€, un must pour tout saisir de cette superbe conférence.

BREF COMPTE RENDU

Alain Riazuelo : Thèse effectuée à l'Observatoire de Meudon sous la direction de Nathalie Deruelle, intitulée :

«  Signature de divers modèles d'Univers primordial dans les anisotropies du rayonnement fossile ».

Il est actuellement astrophysicien  à l'IAP.

Cette présentation avec animations et simulations correspond à un travail entrepris ces des deux dernières années.

Pour information, toutes ces simulations ont été conçues sur un PC de bureau a peu près standard.

GÉNÉRALITÉS SUR LES TROUS NOIRS.

Mitchell en 1784 puis Laplace reprenant en 1791 les travaux de Mitchell avaient fait remarquer qu’en théorie Newtonienne, pour des corps très denses la gravitation pouvait être si intense à la surface que la vitesse de libération pouvait être égale ou supérieure à la vitesse de la lumière. Laplace appela ces astres des « corps obscurs ». Ce sont les ancêtres des trous noirs. Mais la ressemblance s’arrête là, les trous noirs relativistes ayant une structure et une phénoménologie très différente de ces astres obscurs.

Notons qu’en relativité générale, en théorie, un trou noir peut avoir n’importe quelle masse, ceci ne préjugeant pas de leur possibilité d’existence physique (trous noirs primordiaux, formation d’un trou noir astrophysique par effondrement d’une étoile massive en fin de vie,…).

Alors, à quoi pourrait ressembler l’espace là où il y a un trou noir?

Alain Ruazuelo nous indique que Chandrasekhar en donne quelques éléments dans "The mathematical theory of Black Holes" (1983).

Quelques chiffres à propos des TN :

Un trou noir de la masse du Soleil aurait un diamètre de 3km.

Le rayon de Schwarzschild est donné par la formule :

où Mo est la masse du Soleil.

À remarquer : le rayon du TN est proportionnel à sa masse.

De même le rayon angulaire sous lequel il serait vu est de :

cela veut dire quelque chose en nano arc seconde, soit un objet de 1 micron vu de Terre à la surface de la Lune!!!

Le trou noir le plus célèbre, Cyg X-1 qui a une masse de 10 fois celle du Soleil a une taille angulaire de 0,6 nas (nano seconde d'arc!)

Par contre l'immense TN au centre de notre galaxie, Sgr A*de 3,5 millions de masses solaires est vu sous 30 micro arc sec; pas encore visible par nos instruments (100 µas) mais cela va venir bientôt on espère, surtout avec la technique de l'interférométrie radio.

COMMENT REPÉRER UN TROU NOIR : EXEMPLE DE Sgr A*.

Un trou noir n'émettant aucun rayonnement direct, ils sont donc….invisibles, on ne peut les détecter que indirectement.

Comme par exemple cette étude sur 15 ans des astrophysiciens du fameux Max Planck Institute de Garching près de Munich.

Vous trouverez cette animation ICI, vous pouvez même la télécharger.

Que voit on?

On voit un ballet d'étoiles qui suivent des orbites Kepleriennes, on en déduit le point autour duquel elles tournent, il est invisible, sa masse serait de quelques millions de masses solaires, c'est un trou noir géant, celui qui est au centre de notre galaxie (comme de la plupart des galaxies).

Il est nommé Sagittarius A* ou Sgr A* (on prononce Sagittarius A étoile ou A star).

LA SIMULATION.

On supposera le TN sans disque de matière.

Reprenons une partie du texte écrit par Sylvie Rouat (en italique) pour le magazine

Grâce à des modèles numériques inédits, voici la description d'un voyage à la rencontre de l'astre le plus mystérieux du cosmos. Une expérience virtuelle peuplée d'étranges phénomènes

La traversée interstellaire a duré quelques années. Et soudain, il est là, devant nous : un vaste trou noir semblable à un vortex, crachant des fontaines de matière azurée. Nous touchons enfin au but. Notre excursion est terminée.
Ce voyage imaginaire vers un trou noir nous est presque familier. Et pourtant, il est contraire aux lois de la physique, comme l'explique Alain Riazuelo, astrophysicien à l'Institut d'astrophysique de Paris, dans une nouvelle modélisation des plus décoiffantes.

Reprenons le voyage depuis le pas de tir.

Notre objectif est de nous diriger vers Epsilon Eridani, une étoile un peu plus petite que le Soleil, située à 10,4 années-lumière de nous. Cette étoile est devenue mythique dès 1960, lorsque Francis Drake pointa le radiotélescope de Green Bank, en Virginie, à la recherche de signaux émis par une hypothétique civilisation extraterrestre.

En vain. Fort de cette référence et des rumeurs littéraires qui font de cette étoile le lieu de naissance de Mister Spock, l'homme aux oreilles pointues de Star Treck, Alain Riazuelo a localisé dans cette direction un trou noir de quelques milliers de masses solaires.

Cet objet est extrêmement compact, exerçant autour de lui une force gravitationnelle sans égale : rien ne peut résister à son attraction. Même les rayons lumineux sont piégés à jamais.

Si l'on espère atteindre notre destination à l'échelle d'une vie humaine, il nous faut un vaisseau rapide, extrêmement rapide : en accélérant à 99% de la vitesse de la lumière, il nous faudrait tout de même plus de quatre ans pour dépasser la plus proche étoile !

Une telle accélération, hélas ! nous pulvériserait, tant la force de gravité qui s'exercerait alors sur nos organismes serait écrasante. Et nul alliage de titane ne pourrait nous en préserver

Si ce TN était de masse stellaire, le champ de gravité, produit aussi par effet de marée, procure une accélération de 10 milliards de g par m, autrement dit nous serions écartelés.

Par contre pour un trou noir massif, contrairement à ce que l'on pourrait penser, l'effet de marée est beaucoup plus faible.

Reprenons le texte de S Rouat :

L'aberration de la lumière, L'impression de reculer

Néanmoins, imaginons qu'en ce trentième siècle, nous disposions des technologies pour voyager ainsi sans trépasser. Nous voici propulsés dans l'espace à une vitesse approchant les 70% de celle de la lumière. Loin de défiler de part et d'autre, les étoiles semblent venir de l'arrière : Antarès et Orion, qui sont à l'opposé de notre direction, apparaissent devant nous. Peu à peu, les rayons lumineux semblent se concentrer au centre de notre champ de vision en une flaque de lumière éblouis- santé. Nous sommes maintenant à 99% de la vitesse de la lumière et nous ne voyons plus rien.

Cet effet inattendu est dû à un phénomène «d'aberration de la lumière», semblable à celui de la pluie sur le pare-brise d'une voiture. Lorsque celle-ci roule à grande vitesse, la direction apparente de la pluie bascule vers l'avant et nous avons l'impression que la pluie se précipite vers nous quasi à l'horizontale.

Peu à peu, toute la voûte céleste qui était dans notre dos semble passer devant, excepté le point situé exactement dans notre dos. C'est James Bradley qui a mis en évidence ce phénomène en 1728. Tandis que l'astronome britannique traversait une rivière sur un voilier, il s'aperçut que la direction apparente du vent avait changé, un effet bien connu des navigateurs. Perplexe, Bradley se demanda si cet effet pouvait s'appliquer à la lumière. Après quelques mois d'observation de l'étoile Gamma Draconis, il mit en évidence les variations de la position apparente de l'étoile.

Le phénomène d'aberration a une conséquence déconcertante : alors que l'on accélère à des vitesses proches de celle de la lumière et que la lumière émise par tous les objets - même ceux situés derrière nous - se concentre dans la direction vers laquelle nous filons à toute allure, nous avons pourtant l'impression de reculer !

Voici une illustration de ce phénomène avec une vue du ciel (en supposant des petits carrés pour voir les déformations).

De Gauche à droite la vitesse de l'observateur :

En haut : vitesse nulle; 0,3 c

En bas : 0,6 et 0,9c.

À 0,9c comme dit dans le texte on voit les deux pôles célestes en même temps!

L'effet Doppler :décalage vers le rouge et le bleu : redshift et blueshift.

Pendant cette prodigieuse accélération, l'aspect même des étoiles s'est modifié. Les astres rouges, tels Bételgeuse, sont devenus orange, jaunes puis d'un blanc éclatant. Les géantes bleues ont vu leur éclat décupler. Derrière nous en revanche, l'inverse s'est produit. Toutes les étoiles ont peu à peu rougi, leur luminosité a décru fortement puis elles se sont assombries jusqu'à ce que le ciel tout entier devienne noir. Ces deux phénomènes opposés sont dus à l'effet Doppler, qui engendre un décalage vers le rouge lorsque la lumière s'éloigne et un décalage vers le bleu tandis qu'on s'approche de sa source. De fait, entre l'émission d'une onde et sa réception, il peut se produire un décalage de fréquence lorsque la distance entre l'émetteur et le récepteur varie au cours du temps. Ce décalage des ondes lumineuses est similaire à celui, plus connu, des ondes acoustiques : le bruit d'une sirène de voiture de police devient de plus en plus aigu à mesure qu'elle s'approche de nous, puis devient plus grave en s'éloignant.

Le trou noir est maintenant en vue, découpant sa silhouette sur un somptueux tapis d'étoiles. Notre vaisseau est installé sur une orbite circulaire, à distance respectable du monstre. Pour ne pas subir l'influence gravitationnelle de celui-ci, il nous faut en effet adapter la vitesse à l'altitude.

Plus nous approchons du trou noir, plus il faut aller vite et dépenser une énergie de plus en plus phénoménale. Mais il y a une limite à ce jeu d'équilibriste, appelée «sphère des photons» : sur cette orbite, la vitesse de satellisation est égale à celle de la lumière, ce qui signifie que seuls les photons peuvent frôler le trou noir si près avec une chance d'en réchapper.

Illustration de ce phénomène : aberration et effet Doppler avec une vitesse de 0,5c, on voit sur cette image :

En haut de g à d : vue en regardant vers l'avant; vue en regardant derrière.

En bas de g à d : en regardant vers la droite (vue sombre) puis image originale sans terme Doppler.

L'intensité.

L'intensité de la lumière des étoiles dépend fortement du z (facteur de décalage vers le rouge), donc l'intensité des étoiles va augmenter fortement pendant notre voyage.

Images fantômes
Autour de l'astre mort, cependant, se produisent d'étranges phénomènes optiques.

Les étoiles se dédoublent de chaque côté, effectuant autour de lui une ronde lumineuse.

À distance, les objets apparaissent comme distordus. La tramée gazeuse de la Voie lactée elle-même s'arrondit et son double dessine une boucle sous le trou noir. Bientôt, notre galaxie semble dessiner un anneau gazeux autour du trou noir.

Tous ces mirages visuels sont dus à la déflexion des rayons lumineux.

Prédit par Albert Einstein en 1915 dans le cadre de sa théorie de la gravitation, cet effet fut confirmé en 1919 lors d'une éclipse de Soleil, qui permit d'établir que les rayons lumineux qui rasaient le bord du Soleil étaient défléchis de 1,75 seconde d'angle.

Ce phénomène devient bien plus important encore aux abords d'un trou noir. Un photon qui s'aventurerait à sa proximité serait comme happé par son extraordinaire force gravitationnelle. S'il ne dépasse pas la sphère des photons, il pourrait faire plusieurs orbites avant de repartir avec un angle différent.

Pour l'observateur, c'est comme s'il y avait plusieurs sources de rayons lumineux. Ce détournement de lumière crée une infinité d'images fantômes à proximité du trou noir. Plus étonnant encore, les étoiles situées derrière nous peuvent être aperçues aux abords du trou noir, certains de leurs rayons ayant été déviés par celui-ci, qui sert alors de rétroviseur cosmique.
Enfin, lorsqu'une étoile passe exactement derrière le trou noir, il agit à la manière d'une loupe, concentrant et détournant vers nous l'essentiel de sa lumière, ce qui décuple son éclat.

C'est le phénomène qui donne naissance aux lentilles gravitationnelles.

Pour faire sa simulation Alain Riazuelo est parti d'une photo du ciel provenant de l'étude 2Mass en IR, la plupart des étoiles hors de notre galaxie sont absentes, on remarque surtout les nuages de Magellan.

À cette image il a rajouté un catalogue d'étoiles connues (Henry Draper ou HD).

Exemple de vision qu'on aurait de notre voie lactée en se dirigeant vers un TN.

Toute étoile a une image secondaire par rapport au Trou Noir.

Point de non-retour

Parti pour un voyage sans retour, notre vaisseau file maintenant droit devant, vers ce port obscur qui demeure d'un noir absolu. Si la femme élastique nous précédait dans cette descente infernale, ses pieds seraient d'abord attirés imperceptiblement vers l'astre mort, puis son corps s'allongerait jusqu'à lui donner la forme d'un long spaghetti. Il y a pourtant une frontière qui sépare la région où tout est encore possible de celle où notre destin sera définitivement scellé. Hélas ! ce point de non-retour n'est guère repérable. A l'instar du nageur qui ne ressent rien au moment où il se fait happer par les courants qui vont l'emmener vers la chute d'eau, il ne se passe rien au moment où nous passons l'horizon du trou noir.
Peu à peu, la silhouette sombre du trou noir emplit le champ de vision et nous avons l'impression que le ciel nous tombe sur la tête.

Notre dernière vision avant de heurter le centre du trou noir, la singularité, c'est celle d'un anneau extrêmement lumineux qui nous encercle de part et d'autre. Nous ne ressortirons pas du trou noir et ne pourrons jamais partager cette expérience unique, puisque aucune information ne pourra s'en échapper.

Notre seul espoir désormais relève de la science-fiction : si les trous de ver existent, nous pourrons peut-être ressortir dans un autre univers. Mais si la théorie n'interdit pas leur existence, elle demeure hautement improbable...

Bon maintenant vous en savez assez pour savourer le DVD d'Alain Riazuelo, bon voyage vers le trou noir!!!

Au nom de la commission Cosmologie, merci pour ce voyage inédit qui nous a passionné.

Pour en savoir plus :

Conférence au Palais de la Découverte  d'Alain Riazuelo :

Le mouvement des étoiles autour du TN galactique par l'ESO.

Une animation sur les micro lentilles gravitationnelles (gif de 12MB), un TN passe devant la voie lactée, que voit on?

Sur les trous noirs par N Rumiano.

Les trous noirs Par J. Fric