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Mise à jour le 28 Juillet 2009
SÉMINAIRE SUR L’UNIVERS INVISIBLE
Organisé par l’Observatoire de Paris (LUTH)
Conférence de Éric GOURGOULHON, Astrophysicien,
Directeur de Recherche au CNRS, LUTh, Meudon  sur
«LES ONDES GRAVITATIONNELLES ET LES TROUS NOIRS ,
VOIR L'INVISIBLE»
Le 8 Juillet 2009 à L'UNESCO.
 
Remarque : Cette conférence fait partie d’un ensemble de conférences données à l’occasion de ce séminaire, dont on peut consulter le compte rendu sur ce site.
Photos : JPM. pour l'ambiance. Voir les crédits des autres photos éventuelles.
Je ne propose que des comptes rendus succincts de ces conférences, le site Univers 2009, dédié aux manifestations de l'Univers Invisible devrait mettre en ligne bientôt le texte de toutes les conférences.
NOTA : j'ai fait de nombreuses photos en haute résolution que je ne peux pas mettre sur le site question volume, ceux qui seraient intéressés par certaines photos en plus haute définition que celles qui suivent n'ont qu'à me contacter, je les envoie par e-mail.
 
La présentation d'Éric Gourgoulhon est disponible sur le Net
 
Éric Gourgoulhon commence à nous parler des trous noirs et de leurs origines, par John Michell et Laplace, quand ces deux scientifiques ont commencé à s'intéresser à la vitesse de libération dans un système à deux corps.
 
Il existait une vitesse (celle de la lumière) où rien ne pouvait s'échapper, c'était la première notion de trou noir. (corps obscur).
 
Les trous noirs à cause de leur lien avec la vitesse de la lumière, ne peuvent se traiter qu'en relativité générale.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LE TROU NOIR EN RELATIVITÉ GÉNÉRALE.
 
 
Voir la diapo ci-contre sur ce diagramme d'espace-temps.
 
En noir on a repéré la frontière entre le TN et le reste de l'Univers : c'est l'Horizon des évènements (event horizon en anglais).
 
Ce diagramme montre l'évolution (courbes vertes : les photons de l'étoile) de l'effondrement gravitationnel d'une étoile (le jaune représente l'étoile) en trou noir.
 
 
 
 
 
 
 
 
Le trou noir est une région de l'espace où la courbure de l'espace-temps diverge: c'est la singularité.
 
L'horizon des évènements est une structure globale de l'espace-temps, il a la particularité que l'on ne peut pas déceler l'instant où on le franchit!!
 
Un observateur situé à distance verrait l'approche de l'Horizon par un décalage vers le rouge infini; ou par une dilatation du temps infinie.
 
Un TN en équilibre est nécessairement un TN de Kerr. Il est en rotation et est décrit seulement pas trois paramètres :
·        Sa masse M
·        Sa charge Q
·        Son moment cinétique J
 
Q= 0 serait la solution de Kerr et Q= 0 et J = 0 la solution de Schwarzschild (ne tourne pas).
 
On dit que le TN n'a pas de cheveux pour signifier qu'il ne possède pas d'aspérités!
 
 
La matière qui tombe dans un TN effectue en fait la conversion d'une énergie potentielle gravitationnelle en énergie cinétique en émettant du rayonnement sous forme de jets.
 
Par exemple; le jet émis par la galaxie géante M87 au cœur de l'amas de la vierge, il est dû à un TN central de 3 milliards de masses solaires.
 
 
Voici le célèbre film des étoiles situées près du centre de notre galaxie, prouvant que celles-ci tournent autour d'un trou noir géant appelé Sgr A*, il fait 3,6 millions de masses solaires.
 
Il faut bien comprendre que ce n'est pas une animation, c'est le mouvement réel des étoiles du centre de notre galaxie relevé sur 15 ans. Bien que l'on ne voit pas le TN, on remarque les étoiles tournent autour de quelque chose de massif; c'est lui!!
 
 
Il existe de nombreux systèmes binaires X dans notre Galaxie qui sont le siège de trous noirs, au moins une vingtaine, dont on trouve la liste sur la diapo ci-contre.
 
Ce sont des trous noirs de type stellaire.
 
 
 
On peut aussi observer les trous noirs grâce aux ondes gravitationnelles.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LES ONDES GRAVITATIONNELLES.
 
Les ondes gravitationnelles (OG) sont des perturbations dans la courbure de l'espace-temps (ET).
Elles traduisent la dynamique de l'ET et sont dues à l'accélération de la matière, elles se propagent à la vitesse de la lumière.
 
Il y a une différence avec les ondes électromagnétiques qui sont des perturbations du champ électromagnétique qui se propagent DANS l'espace temps, alors que les OG sont des ondes DE l'espace temps lui-même.
 
Elles interagissent très peu avec la matière et de ce fait peuvent nous parvenir de régions très denses et très lointaines de l'Univers.
Du fait de la faible interaction elles sont difficiles à détecter.
 
 
 
 
Effets dus au passage d'une OG.
 
 
Il se produit des variations de longueur dues au passage de cette OG; mais elles sont infiniment petites :
 
L'amplitude de cette OG est de 10-21!!!!!
 
Certains se posent la question de l'existence même des OG; et bien elles existent vraiment; cela a même valu un prix Nobel en 1993 aux scientifiques R Hulse et J Taylor.
 
Ils ont détecté l'émission d 'OG du système binaire d'étoiles à neutrons PSR B1913+16  il y avait modulation de l'émission sur 
7 heures et 45 minutes, prouvant ainsi que c'est bien un système double.
 
C'est cette variation qui est représentée sur la courbe située à gauche.
 
S'ils émettent des ondes gravitationnelles ils devraient perdre de l'énergie, ce qui a été confirmé expérimentalement; la diminution de la période orbitale sur 20 ans est très notable (perte de 3mm par orbite de 7h45!).
 
 
 
 
 
LA DÉTECTION DES OG.
 
 
Avec la mise en route du système VIRGO (franco-italien) et de son pendant américain LIGO, l'astronomie est entrée dans une nouvelle phase, celle des ondes gravitationnelles.
 
 
On peut voir l'interféromètre de VIRGO sur ce schéma.
 
Il est intéressant de consulter la courbe de sensibilité de VIRGO, que l'on voit ici à gauche.
 
La courbe noire (inférieure) est ce qui était prévu au départ, en bleu les relevés de Oct 2007 et en rouge les derniers datant de Mai 2008, nettement améliorés.
 
(Les pics correspondent à des résonances dues à la suspension des miroirs).
 
 
 
 
 
 
 
Évidemment le projet le plus fou est LISA, qui devrait être mis dans l'espace et avoir des bras de mesure de 5 millions de km de long! Le démonstrateur technique (LISA Pathfinder) devrait être lancé en 2011 et la mission elle-même vers 2020.
Taux de détection d'OG espéré pour LISA : 1 à 10 par an.
 
 
L'OSCILLATION DES TROUS NOIRS.
 
Les TN et les OG sont tous deux des distorsions de l'Espace-Temps.
·        Les TN : distorsions extrêmes
·        Les OG : distorsions minimes
 
TN et OG sont tous deux des solutions du vide (le tenseur d'énergie est zéro dans ce cas) des équations de la RG d'Einstein.
 
Si de la matière tombe dans un trou noir, il y a émission d'OG.
 
Ces émissions vont dépendre de la masse du TN.
 
Pour un TN de 10 masses solaires (Ms) : les fréquences sont de l'ordre de 1200Hz , c'est à dire dans le domaine de VIRGO.
 
Mais pour des TN de 1 million de Ms : les fréquences sont de l'ordre de 12mHz, dans le domaine de LISA.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Coalescence d'un système binaire de trous noirs.
 
La fusion d'un système binaire de trous noirs, présente un intérêt astrophysique; il y a émission d'OG qui entraîne une perte d’énergie de rotation du système : les corps se rapprochent.
Le signal est dans la bande de fréquence détectable par des ensembles comme VIRGO ou LIGO.
 
On pourrait même tester la Relativité et même mesurer la constante de Hubble.
 
 
Exemple de trou noir binaire : NGC 6240  ou la galaxie radio 0402+379
 
 
Éric Gourgoulhon termine sa présentation en nous passant un film sur la coalescence d'un système binaire de TN dont je ne trouve pas les références sur le Net.
J'ai trouvé quelque chose d'équivalent qui correspond aussi à la coalescence de deux TN, animée par les scientifiques de Princeton.
 
 
Les nouveaux ensembles de détection des ondes gravitationnelles devraient nous faire entrer bientôt dans l'ère de l'astronomie gravitationnelle.
 
 
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN.
 
La gravitation relativiste: des trous noirs aux ondes gravitationnelles par Éric Gourgoulhon, présentation pdf.
 
Sonder les trous noirs avec les ondes gravitationnelles CR de la conférence d' Éric Gourgoulhon au séminaire Einstein
 
Luc Blanchet : CR conférence SAF sur les Ondes Gravitationnelles du 17 Janv 2009.
 
Le destin de l'Univers : CR de la conférence de JP Luminet à la SAF le 7 Février 2007
 
Les ondes gravitationnelles par A Brillet OCA le 13 Septembre 2005 à l'IAP
 
A l'intérieur d'un trou noir par N Rumiano.
 
La saga des trous noirs par J Perez séminaire Univers invisible.
 
Le mystère des trous noirs par les astrofiles, simple à lire.
 
Einstein on-line par nos amis du MPI à Garching, voir la page des OG.
 
Searching for gravitational waves par Nelson Christensen, for the LIGO Scientific Collaboration
 
Le projet LISA.
 
What are Gravity Waves? : une présentation en PPT de 10,4MB (nécessite le haut débit pour télecharger) par J Jacob de l'University of Western Australia : formidablement bien fait et didactique à voir en premier pour comprendre
 
Gravity Waves par l'Université de Glasgow format PPT 2,3MB  Bien
 
Ripples in space time : bien fait et clair.
 
 
 
 
 
 
 
Bon ciel à tous!
 
 
Jean Pierre Martin  membre de la Commission de Cosmologie de la SAF.
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