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Plan de la présentation

●Introduction:- Q’est-ce qu’un trou noir?- Trou noir stellaire- Trou noir supermassif

●Historique

●Deux expériences:

1) La masse du trou noir supermassif2) La rotation du trou noir supermassif

●Le mystère des étoiles "S “

●Futur

Introduction

Relativité Générale d’Einstein : « Tout corps ayant une masse déforme l’espace-temps autour de lui »

"Trou"

● Qu’est-ce qu’un trou noir?

« Point de densité infinie qui courbe l’espace-temps de telle manière à ce querien ne puisse s’échapper de son champ gravitationnel. »

“ Noir “ : Même la lumière n’en réchappe pas !

Horizon des événements ↔ limite de non-retour

Rayon de Schwarzschild:

Un trou noir est invisible! Observations indirectes

mM

MRs

Soleil

TN 2950

● Trou noir stellaire:

Provient de l’effondrement d’une étoile très massive

Limite caractéristique:

trou noir

Evolution vers le trou noir stellaire:

1) Equilibre stellaire: champ gravitationnel ↔ pression de radiation2) Epuisement du carburant pression de radiation et gravité3) Instabilité explosion en supernova4) Contraction infinie du cœur de l’étoile trou noir stellaire

VolkofOpenheimerdmasseMM Soleilnoyau ')25,1(

Nébuleuse du crabe

● Trou noir supermassif:

◦ Se trouve au centre de la plupart des galaxies

◦ Masse = millions – milliards de fois la masse solaire

◦ Volume < système solaire

◦ Rayonne comme plusieurs centaines de galaxies

◦ formation inconnue hypothèse

◦ Limite trou noir stellaire ↔ trou noir supermassif:TN TNS pour M > 1 million * Msoleil

Le plus connu:◦ Quasar : - Objet très brillant au centre d’une galaxie

- Emet 10 billions de fois l’énergie solaire par seconde - Source d’énergie vient du trou noir supermassif qui le

constitue

Vue d’artiste d’un quasar

Historique• 1783 : John Michell invente le concept d’un corps si massif que

même le lumière ne pourrait s’en échapper.

• 1915 : Albert Einstein publie sa Relativité Générale.

• 1916 : Karl Schwarzschild prédit l’existence des trous noirs à partir de la relativité générale d’Einstein.

• 1967 : Le terme « trou noir » est employé pour la première fois par John A. Wheeler.

Le centre galactique est invisible en lumière visible il faut l’observer avec d’autres types de rayonnements

• 1967 : Martin Rees et Donald Lynden-Bell prédisent que s’il existe un trou noir au centre de la Voie Lactée, il doit émettre dans le domaine radio.

• 1974 : Détection du rayonnement radio du centre galactique (Radio télescope Green Banck aux USA)

source brillante et compacte!

Robert Brown la baptise SgrA*

Very Large Array (USA) (4° x 4° ~2000 a.l.)

• 2001 : Le télescope spatial Chandra détecte pour la première fois un flash de rayonnements X proche de SgrA*.

Le flash a duré 2 heures avec un pic rapide de 10 min. de la matière est absorbée objet compact de taille < distance Terre - Soleil

SgrA*

10 a-l1,6’ (~12 a-l)

● 2001-02 : Télescope au sol (VLT, Keck) observent les étoiles autour de

SgrA*

rotation trop rapide !

150 fois plus de matière invisible que de visible dans la région de SgrA*

● 2002 : L’étude d’une étoile en particulier (S2) déduction de la masse de SgrA*

• 2002 (suite) : Le télescope spatial Integral est mis en orbite

observe le rayonnement gamma du centre galactique

Deux expériences

1) La masse de SgrA*

Idée : Observer le mouvement d’étoiles à proximité de SgrA* et en déduire la présence ainsi que la masse du supposé trou noir supermassif.

Chercheurs: Equipe internationale dirigée par Rainer Schödel et Reinhard Genzel travaillant à l’institut Max Planck pour la physique extraterrestre (MPE) à Garching en Allemagne

Observation du mouvement de "S2" par imagerie infrarouge de grande précision.

R. Schödel R. Genzel

Instrumentation :

En 2001, l’instrument NACO fut installé sur Yepun (VLT de l’ESO)

NACO est composé de 2 sous-systèmes:

- NAOS (Nasmyth Adaptative Optics System)

– CONICA (COudé Near Infrared CAmera)

Haute résolution angulaire : 0.01 ’’ (dans l’infrarouge proche)Le domaine de longueurs d’onde de rayonnements IR est entre 2500-830 nm :

La caméra CONICA est optimisée pour le domaine IR car le système d’optique adaptative est limité à cette bande pour l’instant.

--------------------------- NACO donne des résultats 20 fois plus sensibles

et 3 fois plus précis qu’auparavant. Il permet de différentier les étoiles qui

nous paraissaient jusqu’alors ne faire qu’un !

Observations :

Printemps 2002 : S2 est passée à moins de 17 heures-lumière de SgrA* (~3 fois la distance Soleil-Pluton)

Grâce à NACO, les images récoltées ont permis de voir très précisément la trajectoire de S2.

Les astrophysiciens ont été témoin du passage de S2 à son péricentre.

La synthèse des mesures (de 1992 à 2002) a donné lieu à un résultat incroyable:

S2 tourne autour de SgrA* avec une orbite képlérienne !

• Résultats de 1992-2002• Mouvement propre de S2 Détermination de 2/3 d’une orbite unique• Mouvement dans la ligne de visée

Données sur S2:

- Masse = 15 *Msoleil

- Période : 15,2 ans

- Demi-grand axe : 5,5 jours-lumière

- Orbite képlerienne avec SgrA* à un des deux foyers

- Vitesse au péricentre : 5 000 km/s (~ 200 fois v(Terre) = 25 km/s)Vitesse à l’apocentre : 8 fois plus faible ~ 625 km/s

- Distance au péricentre : 17 heures-lumière! (~124 UA)et celle à l’apocentre : ~ 10 jours-lumières

orbite très excentrique : 0.87 (Orbite de la Terre = 0,017)

Analyse des résultats:

Trajectoire de S2 déduction de la masse de SgrA*

3ème loi de Kepler:

Avec [P] = années [a] = UA [M] = Msoleil

3

3

2

221

322

32221

)2(

)1(

4)2(

,4)1(

TerreTerreSoleil

TerreTerreSoleil

SoleilTerreSoleil

a

a

PM

PMM

aPGM

MMMaPMMG

3221 aPMM

Application:

masse de SgrA*masse de S2

Véritables résultats: - M = (3.7 1.5) millions de Msoleil- Dans un volume délimité par l’orbite de S2

(17 h-l)

Avantages de la méthode orbitale: - Déduction de la masse à partir d’une unique trajectoire - Nécessite peu d’hypothèses évite les effets

systématiques - Très simple !

2

1

M

M121 MMM

SoleilMP

aM 6

2

3

1 10*7.3

• Suppositions sur la nature de SgrA*:

M (trouvée) – M (étoiles) – M (gaz) masse ponctuelle de (2,6 0.2) Msoleil

dans volume = Rs = 26 sec-lumière

Hypothèses:

- Amas d’étoiles à neutrons / trous noirs stellaires : fortement improbable

- Boule de fermions lourds (neutrinos, gravitons,…) : P(S2) = 37 ans incompatible avec les résultats

- Etoile de bosons : possible mais improbable

- Trou noir supermassif : reconnue comme étant la plus probable !

Distribution de masse : potentiel d’une masse ponctuelle

Distribution de masse dans le centre galactique

La rotation de SgrA* :

Découverte le 9 mai 2003 : L’équipe de Genzel et Schödel est témoin de puissants flashs infrarouges à proximité de SgrA*.

Première fois qu’on “voit“ l’agonie de matière tombant dans un trou noir

Instruments : NACO en 3 bandes : H (1,65 μm), Ks (2,16 μm), L (3,76 μm)

Observation:

● 9 mai 2003 à 6h59min24s : 1er flash en IR (bande H) à quelques mas (h-l) du trou noir supermassif:

- Intensité a augmenté d’un facteur 6- Durée de 30 minutes

● 15-16 Juin 2003: 2 autres flashs sont détectés (bande Ks):

- Intensité a augmenté d’un facteur 3- Durée de 80-85 minutes

Périodicité de 16,8 2 minutes !

● Un 4ème flash est retrouvé dans les archives de NACO le 30 Août 2002 (bande L):

- Intensité a augmenté de 70 %

Courbes de lumière des différents flashs IR

Analyse des données:

● Processus théorique: 1) Matière capturée par le trou noir 2) Elle tourne de plus en plus vite 3) Elle s’échauffe et rayonne dans l’IR.

● Flashs proviennent de la zone d’accrétion à moins de 10 Rs (~ 5 min-lum.) de SgrA*. juste après la dernière orbite stable

● Période de 17 minutes peut être identifiée à la fréquence orbitale fondamentale du trou noir. trou noir statique : 27 min SgrA* : 17 min

Le trou noir a un spin !

Conclusion des expériences:

Trou noir est caractérisé par 3 paramètres : sa masse, son spin et sa charge. 2 sur 3 sont connus !

max2

1rotrot vv

TN

Le mystère des étoiles S

• Étoiles “S“ : Amas des 17 étoiles les plus proches de SgrA*(10-100 UA) M : 30-100 masses solaires

• Mesures de Keck + VLT étoiles S sont brillantes et jeunes :moins de 10 millions d’années !

Rappel: étoiles massives brûle

rapidement leur carburant.

● Problème: Etoiles trop jeunes pour flirter avec un trou noir !

2Mt

Différentes hypothèses :

1) Elles se sont formées près du trou noir supermassif.

Impossible : champ de gravitation est tel qu’il déchire les nuages proto-stellaires (pour y résister :

densité de 100 000 milliards de part/cm^3 !)

2) Elles ont migré.

Impossible : voyage en moins de 10 millions d’années Mais frottements qui produit la chute de l’étoile empêche excès de vitesse!

Possible pour un groupe (temps de parcours α 1/M)

☺ Les amas suffisaments massifs peuvent voyager en temps voulus.

☹ Personne n’en a vu (au moins 100 000 Msoleil)

☹ On en observe que 17 !

3) Elles ont été catapultées: destabilisées capturées sur orbite stable

☺ Accepte les orbites stellaires orientées aléatoirement

☺ Explique la prédominance d’étoiles massives (plus facilement capturées)

☹ Nécessite une grande concentration de trous noirs stellaires

4) Elles se font passer pour des jeunes.

Déjà vu: Dans amas globulaires: 2 vieilles étoiles rouges une étoile bleue

☹ Il faudrait plusieurs fusions successives

☹ Plusieurs fusions rotation rapide observations

☺ Géantes rouges à proximité d’un trou noir enveloppe arrachée teint juvénile (bleu)

☹ Temps de vie surestimé. Si elles existaient,elles ne vivraient que quelques milliers d’années. Or, leur présence date certainement de plus de 100 000 ans .

Conclusion :

Aucune explication satisfaisante.

Le mystère reste intact !

Futur• Pour la méthode orbitale:

- But: Observer d’avantage d’accélérations et d’orbites d’étoiles proche de SgrA* (invisibles pour l’instant)

- Interferomètre Large Binocular Telescop, VLT, Keck résolution de quelques milli arcs-seconde !

Permettront d’observer les étoiles entre 10 et 100 Rs (dizaine d’h-l)

● Pour la théorie :

Comprendre la formation des trou noirs : - quand ? - comment ?

- pourquoi ?

• Pour le radio:

VLBA (Very Large Baseline Array) images radio du centre galactique, de l’ombre du trou noir

Largeur virtuelle ~ diamètre terrestre!

ombre

• Pour le flashs IR et X :

- Simultanéité (ou non) des flashs IR et X

- Démonstration directe de l’existence de l’horizon

Conclusion :

Les trous noirs ont un avenir brillant !