Gravitation et Trous Noirs

Françoise Combes

Observatoire de Paris

GravitationUn peu d'histoire…

1638- Galilée: tous les corps ont la même accélération (indép. de lamasse, composition chimique, etc..), fait abstraction de la résistancede l'air

Képler: attraction émanant du soleil (pas de lien avec la pesanteurterrestre)

1666- Newton: loi d'attraction en 1/r2

(fait le lien ente la Lune etla pomme). Action instantanée à distance

Histoire (suite)

1786- P-S de Laplace: pressent les trous noirs (théorie corpusculaire de la lumière)

1865- Maxwell: théorie du champ électromagnétiquemédiateur des charges. Si les charges sont en mouvement,les ondes se déplacent à la vitesses finie c

1890- Michelson-Morley: vitesse universelle de la lumière c

1905- Einstein: Relativité restreinte: espace-tempsDurées et longueurs dépendent de la vitesse de l'observateurtemps élastique

1920- Eötvös vérifie le Principe d' Equivalence à 10-9 prèsmasse inerte = masse pesanteLa gravité n'est pas une force comme les autres

1915- Einstein: Relativité générale

L'espace-temps est courbe, toute masse déforme l'espaceenvironnant

Energie équivalente à la masse

E= mc2

Le tenseur impulsion-énergie définitla géométrie de l'Univers

L'espace de la relativité restreinte, sans masses, est vide et plat

Dès qu'il y a de la matière (ou du rayonnement), l'espace secourbe, et on définit une géométrie

Prédictions et tests

Déviations des rayons lumineux par le Soleil

Avance du périhélie de Mercure

Elasticité du temps (horloges à 10-15)

Mirages gravitationnels

Effondrement des étoiles

Formation de naines blanches (matière dégénérée d'électrons)densité 1 tonne/cm3

Formation d'étoiles à neutrons (matière dégénérée de neutrons)densité 1 milliard de tonnes/cm3

Au-delà d'une masse critique de 3Msol du cœur restant==> Trou Noir

Rayon critique de Schwarzschild R = 2 G M/c2

(ou bien 1/2 v2 = GM/r et v=c) ou Horizon du trou noir

Indices de l'existence des trous noirs

Trous noirs de masse stellaireEtoiles binaires dont on peut déterminer la masseCygnus X1 (> 7Msol), LMC-X3 (> 3Mo), LMC-X1 (> 4Msol)V-404 Cyg (> 8Msol), A 0620-00 (> 3Msol)

Trous noirs super-massifs, un par galaxie: 10 millions à 1milliards de masses solaires => quasars

Trous noirs primordiaux? Ils s'évaporentLes micros lentilles gravitationnelles n'en n'ont pas trouvé

Un trou noir massif au centre de la Voie Lactée

Très peu d'activité (radio source Sgr A)Détecté par la dispersion de vitesses des étoiles 1000km/s

Sans Avec trou noir

Mouvements propresImages Infra-rouge

Eckart & Genzel 97

M=2 millions de Msolaires

Astrométrie et mouvements propres au centre galactique

Animation du mouvement des étoiles

Max-PlanckInstitut,Allemagne

Fenêtre de Baade

Expériences de lentilles gravitationnelles

Evènement OGLE1

Naines blanches?

Les résultats des expériences MACHOS, EROS, OGLE, DUOexitence d'objets de masse 0.5 Mo

Pourraient être de vieilles naines blanches? 3% de la masse noire

Mvts propres de naines blanches proches (Oppenheimer et al 01)Etoiles du halo, ou du disque épais?

Trou noir - Singularité

Illumination du trou noir

Parfaite réflexion-- trou noir

La lumière contourne le trou noir

Le trou noir est entouréd'un disque brillantOn l'observe à 10°

Le disque est complètement déformé, par rapport à un astreclassique

On voit aussi ledessous!

Mirages gravitationnels

En haut à gauche (a),la source est alignée avec la lentille : la galaxie source est déformée en anneaux d'Einstein. A mesure que la source s'éloigne de lalentille, la galaxie source est moins déformée (b,c,d).

Dans cette simulation,la lentille, ponctuelle,est représentée par l'étoile blanche. La source est une galaxie

PKS-18302 images+anneau

Cisaillement gravitationnelDéformation des galaxies derrière un amas dense

Ondes gravitationelles

Lorsque le trou noir esten rotation, il modifiesans cesse la géométrieautour de lui, cela se faitpar des ondes gravitationnellesqui propagent la perturbation

Lorsque la masse est transférée du compagnon stellaire au trou noirles perturbations se propagentpar ondes gravitationnelles

De même lors de la collision entre deux trous noirs, ou l'explosion de supernovae, etc..

Nébuleuse du Crabe en rayons XSupernovae en l'an 1054Etoiles à neutrons, pulsartourne sur elle-même 30 foispar secondeParticules de haute énergieéjectées + jet

Trous Noirs SupermassifsHaute résolution Télescope Spatial+ jet radio (VLA)

Trou Noir en rotation: origine des Quasars?

Disques d'accrétion et Noyaux Actifs

-seules de rares galaxies ont des trous noirs

-toutes en ont mais la période active estcourte, quelques 10 millions d'années

La masse du trou noir est proportionnelleà la masse du bulbe, 0.2 %

Ejection de plasma: lobes radioCygnus A

SS433: micro-quasar

Microquasars

Schéma de formation des structures

Fluctuations primordialesfond cosmologique

Structures filamentairessimulations cosmologiques

Galaxies baryoniquesvues avec le HST

Relation Trous Noirs-Galaxies

Bleu: vitesses stellaires Vert: vitesses du gazRouge: disques de masers H2O, OH..

Mbh = 0.2% Mbulge

Densité des quasars radio

Les quasars optiques suivent la même courbe

très similaire à l'histoire de la formation d'étoiles

Schéma de formation parallèledes galaxies et des trous noirs

Les trous noirs massifs se forment parallèlement aux bulbes

-- Evolution interne des galaxies => flux radiaux de matière pour former les étoiles

-- Interactions et fusions de galaxies

Formation des bulbes/sphéroïdes: concentration de matière et transfert de moment angulaire

Alimenter les trous noirs ou les flambées d'étoiles: mêmes contraintes