Mise à jour 20 Octobre 2018
CONFÉRENCE de Pierre VANHOVE
Physicien Ingénieur au CEA Saclay
« LES MYSTÉRIEUX TROUS NOIRS : LES TROUS NOIRS QUANTIQUES.»
Organisée par la SAF
Dans ses locaux, 3 rue Beethoven, Paris XVI
Le Samedi 13 Octobre 2018 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 et des animations.
Le conférencier a eu la
gentillesse de nous donner sa présentation, elle est disponible sur
ma liaison ftp et se nomme :
vanhove-saf-13octobre2018.pdf, qui se trouve dans le dossier
COSMOLOGIE-SAF/ saison 2018-2019.
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.
Pierre Vanhove est chercheur à
l’institut de physique théorique (IPhT) du
CEA à Saclay, membre du Churchill College à Cambridge et membre associé au
laboratoire « symétrie miroir et représentations automorphes » à Moscou.
Grâce aux symétries de dualité,
il détermine les corrections quantiques de théorie des cordes à la gravitation
d’Einstein.
Par ailleurs, il a développé
des méthodes mathématiques nouvelles pour calculer les amplitudes de diffusion
en théorie des champs et a calculé la première correction de gravité quantique à
l’angle de déviation de la lumière par le Soleil, calculé par Einstein en 1915.
LES
TROUS NOIRS CLASSIQUES.
C'est le Révérend Britannique
John Michell et le
Français
Pierre-Simon de Laplace, qui à la fin du XVIIIème siècle émettent l'idée de
corps dont la vitesse de libération serait telle qu'elle égalerait celle de la
lumière, il venait d'inventer le concept de trou noir.
Voici quelques vitesses de
libération pour les corps suivants :
·
Terre :
11,2 km/s
·
Lune :
2,4 km/s
·
Soleil : 620
km/s
·
Trou Noir :
300.000 km/s
Tout objet dont on réduit les
dimensions de façon extrême en conservant sa masse, peut devenir un TN.
Par exemple, si le Soleil était
réduit à un astre de 3km, ce serait un TN, de même pour la Terre : quelques cm !
La vitesse de libération d’un
corps peur se définir comme suit :
Un corps (Terre, lune etc..) de
masse m tourne autour d’un autre corps de rayon R de masse M un autre corps de
rayon R de masse M
(Soleil, Terre, (Soleil, Terre,
etc) à la distance d sur une la distance d sur une trajectoire supposée
circulaire en équilibre sous l'action de deux forces :
·
F1 : Force de
gravitation universelle (attraction)
·
F2 : Force
centrifuge due (répulsion)
On définit alors le rayon qui
va s’appeler le rayon de
Schwarzschild, rayon à partir duquel on ne peut pas résister à
l’attirance du TN.
Au sein du trou noir se trouve
une singularité cachée par cet Horizon des évènements.
Au
XXème siècle, après l’annonce de la Relativité Générale (RG) par Einstein, Karl
Schwarzschild un physicien Allemand, élabore la théorie du Trou Noir : un
trou noir a un rayon proportionnel à sa masse uniquement ! (G et c sont des
constantes)
Ce rayon sera baptisé Rayon
de Schwarzschild (ou aussi Horizon) en son honneur.
Tout ceci suppose bien sûr
l’égalité
pour tous les corps de leur masse grave et de leur masse inerte (ou
inertielle).
En fait deux paramètres sont
nécessaires pour définir un trou noir :
·
Sa masse
déterminée par observation
·
Sa rotation
Sa charge électrique est nulle
dans la plupart des cas (les charges s’équilibrent à long terme).
Einstein qui vient d’introduire
sa théorie de la Relativité Générale doute de la réalité des TN.
Ce sera plus tard, dans les
années 1950, Oppenheimer et Wheeler qui montreront que ce sont bien des objets
astrophysiques.
Si la théorie d’Einstein est
très bien confirmée en champ (de gravité) faible, il y a peu de tests en champ
fort, comme près d’un TN.
·
On estime à 100
millions de trou noir d’une masse solaire dans notre galaxie
·
La région de
l’Univers visible de la Terre contient environ 100 milliards de galaxies
·
On estime à
quelques 100 milliards le nombre de trou noir supermassifs (millions ou de
milliard de masse solaire)
dans l’univers
·
Le trou noir
connu le plus proche
est à 6100 al (Cygnus X1) on a longtemps cru que c’était V4641 Sagittarii à 1600
années-lumière de la Terre, mais on a récemment ré-évalué sa distance à
24.000al.
Même notre Camille Flammarion
s’est intéressé aux TN, voici ce qu’il en disait dans l’Astronomie Populaire :
Aucune étoile ne se présente comme offrant la
prépondérance suffisante pour service de soleil central, et, d’autre part, si ce
soleil central était obscur (ce qu’il serait difficile d’admettre) les
mouvements des étoiles autour de lui devraient se traduire pour nous par une
certaine régularité dans les mouvements propres. (p821)
COMMENT
VOIR LES TROUS NOIRS ?
Si on ne peut pas voir les TN,
on devrait voir les manifestations sur leur environnement.
En effet, c’est ce qui se passe
avec notre trou noir central, Sag A* au centre de notre Galaxie, sa masse : 4
Millions de masses solaires.
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 super massif.
L’aire
d’un trou noir.
En 1971, Stephen Hawking prouve
que l’aire d’un trou noir ne peut pas décroitre et que sa valeur est donnée par
la formule ci-contre.
L’aire d’un trou noir croit
avec sa masse.
Comme l’entropie, qui ne peut
que croitre au cours du temps.
On a « entendu » des trous
noirs lors de la découverte
des ondes gravitationnelles.
On peut réentendre le bruit de
cette
coalescence ici.
Deux trous noirs (29 et 36
masses solaires) sont entrés en collision et ont émis à cette occasion des OG
dans l’espace, qui ont été détectés par LIGO. Le résultat un monstre de 29+36 =
62 masses solaires, la différence de masse est passée dans l’énergie des ondes
gravitationnelles.
LES
TROUS NOIRS QUANTIQUES.
On remarque une similitude
étonnante entre deux TN tournant l’un autour de l’autre et l’électron tournant
autour du noyau d’un atome.
Cela établirait-il un lien
entre gravité et MQ ?
Quelques définitions :
|
|
|
On remarque que :
Les particules élémentaires
sont trop légères en comparaison avec la masse de Planck (2 10-8
kg), alors que les gros objets sont beaucoup plus lourds que cette masse de
référence. Pourquoi ?
La force liée à la gravitation
est 1040 fois plus faible que la force électrique. Bizarre.
Ce qui a donné l’idée à
certains de se poser les questions suivantes :
Pour résoudre l’incompatibilité
entre la RG et la MQ :
·
Faut-il
modifier la gravitation, c’est la
théorie des cordes ou
·
Faut-il
modifier la mécanique quantique, c’est l’approche
gravité quantique à boucles
Il y a aussi la
géométrie non commutative
d’Alain Connes.
Pour le moment il semble que la
théorie des cordes tienne…la corde !
La
production de TN quantiques.
La théorie des cordes crée des
micro trous noirs à très haute énergie.
Il
est possible qu’une paire particule/antiparticule se forme de part et d’autre de
l’horizon d’un trou noir ; il est donc possible qu’une des particules puisse
échapper au champ gravitationnel tandis que l’autre reste prisonnière absorbée
par le TN.
C’est ce que l’on appelle
l’évaporation des TN.
Ou rayonnement de
Hawking)
Que remarque-t-on ?
·
Plus le trou
noir est petit et plus il s’évapore vite et
·
Plus la
température est élevée.
Les micro TN pourraient
s’évaporer dans une durée inférieure à l’âge de l’Univers, mais pour les TN de
fortes masses, la durée d’évaporation est des milliards de fois supérieure à cet
âge.
Ces micro trous noirs auraient
été créés immédiatement après le Big Bang, pendant le temps de Planck (10-43
sec).
Ce pourrait être des candidats
pour la matière noire !
Le
télescope Fermi recherche des preuves
observationnelles de l’évaporation de ces TN primordiaux en observant les
sursauts gamma (GRB) associés à leur fin de vie.
L’entropie des trous noirs.
L’irréversibilité des trous
noirs.
Jacob Bekenstein suggère une entropie proportionnelle à l’aire du trou noir.
Il réconcilie le conflit entre
l’irréversibilité classique et quantique des TN.
Le paradoxe du trou noir :
Un TN absorbe tout et n’émet
rien ! Que devient l’information lorsque le TN s’évapore ? :
·
Si elle
disparaît avec le TN : cela viole les règles de la MQ
·
Si elle est
émise comme radiation de Hawking, cela viole aussi les règles de la MQ
Le paradoxe repose sur
l’hypothèse que la région autour de l’horizon du trou noir est le vide quantique
S Hawking a publié
dans son dernier article du 3
oct 2018, l’idée que les TN auraient des cheveux quantiques (soft
hair) constitués de photons ou de gravitons pouvant stocker des informations sur
le pourtour de l’horizon des évènements.
En 1997 Juan Maldacena, propose
une théorie des champs conforme (en anglais conform field theory ou CFT) à
partir d’une théorie de jauge.
Elle va s’appeler
la correspondance
AdS/CFT pour Anti de Sitter/CFT.
Elle donnerait une résolution
formelle du paradoxe sans violer les lois de la MQ.
Résolution du paradoxe :
En 2005, S Hawking admet que
l’information n’est pas perdue, elle est redistribuée, et qu’il faut modifier la
RG mais pas la MQ !
Mais on se heurterait à un mur
de feu (firewall).
C’est un phénomène qui se
produirait à l’horizon des évènements, ce serait une zone de forte densité
énergétique générée par le rayonnement de Hawking. Un observateur qui
traverserait cet horizon serait grillé.
Si cette théorie est vraie, il
faudrait modifier fondamentalement la géométrie des trous noirs.
Quel dommage que Stephen ne
soit plus là, il nous aurait certainement aidé……
Il est enterré à côté de
Newton.
Stèle à la mémoire de Stephen
Hawking dans l’Abbaye de Westminster à Londres.
Sa voix est partie vers le trou noir 1A0620 − 00 de 6,6 Masses solaires,
situé à 3300 années lumières
POUR ALLER PLUS
LOIN :
Les Trous Noirs en astro : CR de la conf débat de l’Acad. Des Sciences du 13
Février 2018
Le rayonnement de Hawking : CR de la conf SAF (Cosmologie) de J Fric du 13
Mai 2017
Trous noirs et OG : CR conf SAF (Cosmologie) de N Deruelle du 30 Sept 2017.
Trous noirs et ondes gravitationnelles : CR conf SAF d’Éric Gourgoulhon du
10 Fev 2016
Trous Noirs et Grav Quant à boucles : CR conf SAF avec Al. Perez du 11 Mai
2016
Les trous noirs de Kerr : CR de la conférence de J Fric à la SAF le 20 Sept
2008
Hawking et l'entropie des trous noirs par Futura Sciences
Théorie des cordes et gravité quantique, article de Constantin Bachas
De la gravitation quantique à boucles par Carlo Rovelli
Primordial Black Holes - The Fermi Gamma-ray Space Telescope par Jane
MacGibbon
NASA Scientist Suggests Possible Link Between Primordial Black Holes and Dark
Matter
Searching for Evaporating Primordial Black Holes using Fermi Gamma Ray Telescope
Data Imperial College London
Thermodynamique du
trou noir par N Rumiano.
Trous noirs : le dernier article de Stephen Hawking est disponible
Stephen Hawking's Final Paper Was Just Released
La voix de Stephen Hawking envoyée vers le trou noir le plus proche de la Terre
PROCHAINES RÉUNIONS DE LA COMMISSION DE COSMOLOGIE :
Notez dès à présent les dates
des prochaines réunions : toujours à 15H au siège 3 rue Beethoven P16
Merci d’avance de votre
participation.
·
Samedi 15 Décembre
: Patrick Boissé astrophysicien IAP sur la nature de l'univers lointain révélée
par la spectrographie
·
Samedi 9 Février 2019 :
Gabriel Chardin, Président du Comité des très grandes infrastructures de
recherche du CNRS, sur une hypothèse sur les propriétés gravitationnelles de
l'antimatière qui permettrait de proposer une cosmologie alternative au big Bang
?
Prochaine conférence mensuelle de la SAF à TeleComParistech :
Vendredi 9 Novembre 2018
19H00
CONFÉRENCE de Sarah BOSMAN Astrophysicienne University College London
SUR «
LA COSMOLOGIE APRÈS LES 5 PREMIÈRES MINUTES.
»
Réservation à partir du 13 Oct 2018
9H00 (c’est presque plein)
Entrée
libre mais
réservation
obligatoire. (Vigipirate)
Bon ciel à tous
Jean Pierre
Martin Président
de la commission de cosmologie de la SAF
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