Plan de la présentation Introduction : - Qest-ce quun trou noir? - Trou noir stellaire - Trou noir...
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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 !