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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
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