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- Mise à jour le 29 Novembre 2011
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- 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
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- Le Samedi 26
NOVEMBRE 2011 à 15H00
à l'occasion de la réunion de la Commission de Cosmologie.
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- 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
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.
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Elle est aussi disponible le
site de la commission. Pour info les actualités cosmo présentées ce
jour là sont aussi disponibles.
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- BREF COMPTE RENDU
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- La présentation de l’auteur étant
disponible au téléchargement, le compte rendu sera succinct.
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- Encore une salle bien pleine pour cette séance
de cosmologie !
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- 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.
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- Il a écrit de nombreux articles dans les
revues spécialisées, notamment le dernier dans l’Astronomie de Décembre,
sur les neutrinos « supraluminiques ».
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- Pour cette séance de la commission de
cosmologie il fait le point sur les trous noirs et les nouvelles possibilités
observationnelles.
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- LES
TROUS NOIRS : ASPECT THÉORIQUE.
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- 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).
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- 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 :
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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 !)
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- 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.
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- 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).
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- 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.
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- 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)
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- 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.
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- La RG introduit la notion d’espace-temps et décrit
la gravitation comme une courbure
de cet espace-temps.
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- 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.
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- 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.
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- Quelques points de repères historiques :
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En 1915 Einstein établit la RG
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En 1916 Schwarzschild
trouve une solution de l’équation d’Einstein. Rayon de
Schwarzschild : Rs = 2GM/c2
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En 1920 Eddington
dit qu’aucune lumière ne peut sortir d’un corps ayant R<Rs
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En 1932 Lemaître
parle de la singularité
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En 1939 Oppenheimer
et Snyder parlent
d’effondrement gravitationnel quand R à
Rs
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En 1960 Wheeler
et Kruskal
ont une vision complète de l’espace-temps
de Schwarzschild
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En 1963 Kerr
donne une solution pour un TN en rotation
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En 1964 Salpeter
et Zeldovitch
annoncent que les quasars tirent leur énergie des TN super massifs
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En 1967, seulement, c’est Wheeler qui invente le terme de trou noir
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- LE
TROU NOIR EN RELATIVITÉ GÉNÉRALE.
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Un
trou noir est une région de l’espace-temps d’où les photons ne peuvent
sortir.
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- La frontière (immatérielle) entre le TN et le
reste de l’Univers est appelée Horizon
des évènements (event
horizon en anglais).
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- Illustration : diagramme de
l’espace-temps montrant la formation d’un TN par effondrement d’une étoile.
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- 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.
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- Vue par un observateur, l’approche de l’horizon se traduit par un décalage vers le rouge et
par une dilatation du temps infinis.
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- PROPRIÉTÉS
DES TN : THÉORÈME D’UNICITÉ.
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Un
trou noir est défini par seulement trois paramètres :
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Sa masse M
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Son spin, c'est à dire une quantité liée à la rotation de ce
corps J
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Sa charge électrique (supposée nulle) Q
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- La solution de Schwarzschild correspond à J=0
et Q=0.
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- La solution de Kerr correspond à Q=0.
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- 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 !
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- OBSERVATIONS
ACTUELLES.
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- 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.
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- Chaque étoile ou objet aurait son double, cela
se voit mieux sur cette image
commentée de sa présentation.
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- Mais comme le dit notre conférencier, on
n’en est pas encore là !
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- 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 !).
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- La matière tombant sur un TN forme un disque
qui peut ressembler à cette représentation de J.A. Marck et son explication
graphique.
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- 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 !).
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- Nombreux trous noirs aussi dans les étoiles
binaires X comme on le voit dans le tableau ci-après.
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- 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.
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- 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.
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- Manifestement elles tournent autour de quelque
chose de très massif : un TN. Sa masse : 4 millions de masses solaires.
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- Illustration : orbite de l’étoile S2
autour du TN central de notre Galaxie de 1992 à 2010.
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- Mais notre TN central n’est pas le plus
massif il y en a d’autres que l’on trouve sur ce tableau :
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