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31/01/20141 Guy CHOLLET avec La Commission Cosmologie de la S.A.F. & lObservatoire de Rouen présente : Les Trous Noirs : armageddons ou poules prodigues.

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1 31/01/20141 Guy CHOLLET avec La Commission Cosmologie de la S.A.F. & lObservatoire de Rouen présente : Les Trous Noirs : armageddons ou poules prodigues ?

2 31/01/20142 Le mot Armageddon est généralement employé au singulier car il est synonyme de « catastrophe finale ». Son origine remonte à lan 609 av. J.C. Cette année là, le roi juif Josias du royaume de Juda, fut défait et tué sur la colline fortifiée de Megiddo (ou Har Megiddo) par le pharaon Nékao II. Il est moins utilisé en régions catholiques que dans les pays qui lisent couramment la Bible. Ainsi, sous ce titre, en 1998 et aux USA, Michael Bay réalisa un film catastrophe dans lequel la Terre entière était menacée de destruction par un gros astéroïde... S agissant dastronomie et de rencontres fortuites nous avons donc retenu ce mot court plutôt que celui de « monstres voraces ».

3 Introduction Pas plus aujourd'hui quhier, nous estimons quil ne peut être question de dire « comment lUnivers est apparu ». Nous pouvons simplement exposer les différentes phases de la prise de conscience humaine … Et faire le point des connaissances actuelles, afin de satisfaire notre curiosité de chaque jour. 31/01/20143

4 Les cieux pour les mortels sont un livre entrouvert, Ligne à ligne à leurs yeux par la nature offert ; Chaque siècle avec peine en déchiffre une page, Et dit : ici finit ce magnifique ouvrage ! Mais sans cesse le doigt du céleste écrivain Tourne un feuillet de plus de ce livre divin, Et lœil voit, ébloui par ces brillants mystères, Etinceler sans fin de plus beaux caractères... Alphonse de Lamartine 1830 ( Les Harmonies Poétiques et Religieuses ) 31/01/20144

5 Résumé historique ***** Pour les Anciens : LA TERRE ETAIT PLATE, petite et de création récente. 1) Il ny avait pas dévolution et tout fut créé dun coup. 2) La Terre fut créée dans l intérêt des hommes : - le Paradis est très au dessus de sa surface ; - lEnfer est au-dessous des lieux où nous vivons. 3) Durant la nuit le Soleil éclaire lEnfer. Notre monde est entouré deau et, le niveau de ces eaux restant constant, il existe des cataractes aux limites de locéan périphérique. 4) Tous les astres du ciel tournent autour de la Terre. 5) LUnivers se limite à cette petite Terre plate. 31/01/20145

6 6 Lévolution des concepts Durant la période historique (depuis 2 à 3000 ans avant notre ère) Suite aux récits des marins et des caravaniers 1) La Terre devient sphérique car il fallut expliquer : - pour un même jour, les variations de lensoleillement local observé ; - lapparition et la disparition locale de certaines constellations ; - le fait, quà grande distance, on ne voit pas la base des objets. 2) On commence à connaître ses dimensions OFFICIELLEMENT, environ 200 ans avant notre ère, Eratosthène réalisa la première mesure méridienne. Il est relaté que : « Après avoir arrondi des comptages de pas (de dromadaires), afin de faciliter les calculs ultérieurs, il retint le nombre fort remarquable de stades » et obtint (très probablement, avec nos actuelles unités) : km contre km pour la vraie valeur ! Cette mesure nest donc pas " une première". En effet, dès le début des Jeux Olympiques, en ~776, le " Stade" était déjà défini.

7 31/01/20147

8 8 La période moderne (pour nous à partir de lan 1500 de notre ère) Après les travaux de Copernic ( ), Galilée ( ), Kepler ( ) et Newton ( ) 1) La Terre tourne autour du Soleil et cesse dêtre lEden attribué à lHomme par un Dieu tout puissant. 2) LUnivers sagrandit ; suite à lAttraction Universelle, il ne peut plus être quinfini ou fini mais en rotation. 3) Le temps et lespace deviennent des valeurs absolues indépendantes ; seul Leibniz apporte quelques nuances en distinguant les « monades » (substances simples et actives) des « principes » qui en permettent lassemblage. 4) La Création est continue, (sauf pour Leibniz) : ni le temps ni lespace ne peuvent avoir dorigine précise. MAIS :

9 31/01/20149 il y a l IMPORTANCE DES GENESES REVELEES : ***** Si nous nous limitons à la civilisation occidentale : - lUnivers fut créé en six jours ; - en 1861 Edouard Lartet, découvreur du premier singe fossile dEurope, sinsurgeait encore « contre les faiseurs de systèmes chronologiques se référant à la Bible » et, présentement, certains Créationnistes sopposent toujours à lEvolution ! 1) Pour les Juifs : Création du Monde le dimanche 06 octobre ~ ) Pour les Chrétiens : Larchevêque anglican James Ussher ( ) révisa la chronologie traditionnelle et, sappuyant sur la généalogie dAbraham, reporta cette Création du Monde au mercredi 26 octobre ~ ) Depuis fin 1951 le pape fait de lExpansion Universelle : « Le Fiat Lux scientifique de la Création. »

10 31/01/ Le grand tournant des XIX & XX me siècles - Vers 1676, Römer avait estimé la vitesse de la lumière. - Vers 1860 Maxwell émit le concept dune « vitesse limite » liée à la célérité des ondes électromagnétiques : on le dénia. - Après 1887, suite à lexpérience de Michelson, il apparaît que cette vitesse de la lumière est une constante reliant le temps et lespace : les principaux concepts de Newton furent condamnés ! Les mathématiciens Lorentz et Poincaré en tirèrent vite les conséquences puis, en 1915, Einstein élabora la Relativité Générale. - Vers 1917 ; De Sitter énonça la possibilité dun univers sans matière ; et Einstein, ayant voulu un univers « stationnaire, éternel, homogène et limité dans l'espace », dût rajouter à ses équations une « constante cosmologique » (lambda). - Avant 1990, cette constante, capable de contrarier leffet de la gravité, fut rejetée par la majorité des théoriciens...

11 31/01/ Fin du XIX me s. : LUNIVERS CESSE D ETRE INFINI Un siècle seulement nous sépare de ce schéma ! PUIS :

12 31/01/ Fait inimaginable : en 1931, Dirac démontra lexistence du positon ou antiélectron et, par là, dune « antimatière »... - De 1940 à 1980 on découvrit que toutes les particules constituant notre monde possèdent leur particule miroir ou « antiparticule » et que la rencontre de ces particules symétriques provoque toujours leur annihilation avec apparition dénergie. Seuls les photons (émission de la couronne électronique) font exception en constituant leurs propres antiparticules, et les neutrinos (émissions du noyau atomique) peuvent muter en inversant leur spin (rotation). - Malgré ce fait, qui interdit de reconnaître par lobservation directe la véritable nature de deux mondes lointains et totalement séparés, lantimatière ne fut pas introduite comme composant de notre univers actuel.

13 31/01/ Dès 1934, Gamow affirma que cette théorie de lExpansion Générale conduirait à la découverte dun grand rayonnement thermique universel ! En 1964 Penzias et Wilson découvrirent (par hasard) un rayonnement omniprésent témoignant dune température universelle de 2,73 K. Bien quauparavant les principaux défenseurs de la théorie de lExpansion aient surtout affirmé « quil fallait rechercher cette température aux environs de 40 à 50 K », on adopta ce fait et on rectifia la Théorie afin den faire " le modèle standard " servant de référence ! De plus, cette adoption se fit en ne tenant aucun compte : - des données anciennement établies et relatives aux capacités calorifiques de certains gaz à très basse température … - des interactions pouvant exister entre la matière et les rayonnements électromagnétiques (Relativité, Effet Raman) …

14 31/01/ Il y a discontinuité de la courbe de chaleur spécifique de lhélium aux environs de 2 K Origine : Revue FUSION N°61 Mai / juin 1996

15 31/01/ LE MODELE DU BIG BANG ***** Principaux théoriciens : FRIEDMANN, GAMOW, LEMAITRE, SANDAGE et ROBERTSON-WALKER ***** LUnivers est en expansion ; il existe un rayonnement général Cosmologique, parfaitement uniforme et isotrope à près (mêmes propriétés physiques dans toutes les directions). Ce rayonnement est celui dun corps noir parfait à 2,725 K +- 0,01° Lâge de cet univers est de 13,7 +- 0,2 milliards dannées. La composition initiale en gaz (75% H, 24% 4 He, 1% D + 3 He + 7 Li) saccorde avec lexistence dune phase initiale chaude à 3000 K. Les sections de cet univers sont plates (sa courbure est très faible). Cette découverte soppose probablement à « lUnivers Chiffonné » défendu, en particulier, par Jean Pierre LUMINET.

16 31/01/ La continuité de lexpansion (avec ou sans inflation) implique que, à lorigine des temps, tous les éléments constituant lUnivers étaient confondus. 1) Sur la base des dimensions admises ( rayon denviron 13, années lumière, masse volumique moyenne dau moins g / cm 3 ) ; la masse minimale de lUnivers connu est de tonnes. 2) Suite aux travaux de Max Planck (mécanique quantique) et de Louis de Broglie (mécanique ondulatoire) ; notre matière étant surtout lacunaire, il faut quelle puisse indéfiniment seffondrer quand elle se transforme en énergie (cest également lhypothèse la plus souvent retenue pour lintérieur des trous noirs). Suivant le sens du mouvement étudié, on se heurte cependant tour à tour : au passage transitoire par un rayon de Schwarzschild (diapo 28) denviron al ; au mystérieux « Mur de Planck », cette notion provenant dune combinaison des valeurs extrêmes, et toujours inaccessibles, actuellement définies par la physique : Température : °, Energie : GeV, Dimension : cm

17 31/01/ La logique avait dabord conduit à supposer un ralentissement progressif de cette expansion universell e.

18 31/01/ Lobservation de nombreuses supernovae lointaines conduit à la conclusion inverse : il y a maintenant une accélération progressive de cette expansion, doù, si lon ne souhaite pas introduire une autre conception : - un lié à la présence dune constante cosmologique due à « lénergie du vide » (lEnergie Sombre) ; cette énergie pouvant aussi rendre compte de la « comobilité des galaxies » si chère à de nombreux cosmologistes ; - la nécessité dun point dinflexion, lexpansion ayant commencé en une zone de faibles dimensions (dans le cas contraire nous verrions peu de galaxies). Or, AUCUN POINT DINFLEXION NEST OBSERVE : « on se contente de calculer ce point » ( sic M. Jérôme MARTIN - IAP)

19 31/01/ N.A.S.A. Origine du Temps & de lEspace SCHEMA EN TROIS DIMENSIONS DUN ESPACE-TEMPS A QUATRE DIMENSIONS RFC observé 4 à 5 x 10 9 ans : Inflexion calculée

20 31/01/ Suivant sa valeur, cette expansion accélérée conduirait vers un « Big Chill » (refroidissement) ou un « Big Rip » (déchirure).

21 31/01/ PRINCIPE ENTROPIQUE DE CARNOT ***** Le physicien Sadi Carnot est le fils de Lazare Carnot, éminent ministre des armées de la Révolution puis de Bonaparte et plus connu sous le nom « de Grand Organisateur de la Victoire ». Il posa les bases dune discipline nouvelle : la thermodynamique. Partant dun axiome pratique « la conservation de la chaleur », il énonça les grands principes théoriques permettant de concevoir toutes les machines thermiques envisageables. Il constata quil y a constamment une dégradation de lénergie utilisée et définit lentropie. Lentropie est donc le degré de dégradation de lénergie dun système thermodynamique. Son accroissement signifie une augmentation du désordre ou, de lincertitude concernant ce système. Lévolution nétant pas réversible, on constate quelle ne peut quaugmenter au cours du temps. En cas dévolution parfaitement réversible, lentropie reste nulle.

22 31/01/ VIE & EVOLUTION DES ETOILES ***** Masse initiale de létoile Masse finale de lobjet Nom de lobjet Moins de 8 masses solaires Moins de 1,4 masse solaire Naine blanche ( taille Terre ) De 8 à 20 masses solaires 1,4 à 2,5 masses solaires Etoile neutrons ou pulsar Plus de 20 masses solaires Plus de 2,5 masses solaires Trou noir probablement « de Kerr » Plus une étoile est grosse plus son évolution est rapide Seul le trou noir (ou astre compact) est immuable

23 31/01/ ) La naine blanche explose quand elle atteint ( ou dépasse brusquement) une masse critique denviron 1, 4 masse solaire. 2) Létoile à neutrons disparaît, en devenant un trou noir, quand sa masse dépasse 2, 5 masses solaires. On ignore sil existe vraiment des trous noirs dont la masse est inférieure à cette valeur. ZONE HYPOTHETIQUE

24 31/01/ Dessin classique On a longtemps mis en doute lexistence des trous noirs dont Laplace fut le précurseur. Initialement, on estimait que, si ces objets existaient vraiment, ils vampirisaient le milieu proche et, accessoirement, émettaient des jets plasmatiques qui se diluaient peu à peu dans lunivers... Etoile vampirisée Trou noir Jet

25 Les trous noirs existent bien au centre des bulbes galactiques ! Pour notre galaxie, la Voie Lactée, on peut suivre les mouvements orbitaux des étoiles qui sont les plus proches du puissant émetteur SgrA : en 25 ans environ, elles parcourent des orbites elliptiques dont les axes mesurent quelques jours lumière, ce qui est très rapide. Il savère que la masse de ces trous noirs centraux dépend de la masse des bulbes galactiques (en moyenne 1/600 pour les galaxies proches ; 1/50 pour les lointaines galaxies dont la masse, déterminée en radio, ne peut pas être précisée avec leurs émissions optiques). Sgr A Document ESO VLT Paranal S2

26 31/01/ Trou noir aspirant la matière et les photons des rayonnements électromagnétiques : cest lArmageddon. Les lignes de champs magnétiques senroulent dans le plan du disque : cette remarque incite à opter plutôt pour des astres obscurs complexes. Dessin réaliste

27 27 Le trou noir de Kerr LE TROU NOIR EST EN ROTATION RAPIDE Lespace-temps, et tout se qui sapproche de lobjet, senroule autour de cet astre compact dont nous ne connaissons que « lhorizon ». La quantité de matière absorbable est limitée par la vitesse périphérique à lhorizon du trou noir ; cette vitesse ne pouvant pas dépasser C. Lexcès de matière est donc éjecté sous forme de jets polaires plasmatiques. Cette éjection conduit à une diminution de lénergie interne du trou noir ; et, la conservation du moment cinétique de cet astre nécessite, à son tour, une contraction de cet objet compact, et / ou, une nouvelle possibilité dabsorption de la matière située à lextérieur. Par ces jets polaires, il y a donc une régulation énergétique globale.

28 28 Appelons G la constante de la gravitation universelle ; M la masse d'un corps et R le rayon dune orbite, la vitesse de libération depuis ce corps est Pour un trou noir, aussi appelé « astre compact », V= c = vitesse de la lumière, nous obtenons : R c 2 = 2 G M soit, Rayon de Schwarzschild = Nous ne connaissons que « lhorizon » des trous noirs, cependant, leur constituant principal pourrait être quasiment-sphérique : 1) leurs masses volumiques moyennes seraient alors inversement proportionnelles au carré de leur rayon, donc de leur masse. - Or, la plus forte masse volumique sûrement connue est celle dun fluide neutronique ; - Pour un très gros trou noir, cette masse volumique serait voisine de celle de notre atmosphère.

29 29 2) leur surface extérieure serait S = 4 R s 2 soit : S = Elle saccroît comme le carré de leur masse donc, plus vite quelle. Beaucoup de physiciens considèrent que lentropie des trous noirs croît avec leur surface extérieure : en ce cas, comme tout ce que nous connaissons, ils auraient donc aussi une entropie positive... Dautres physiciens, considérant quil sagit de trous noirs de Kerr, font remarquer que les horizons ne sont pas sphériques mais assez plats et que nous ignorons totalement le volume réel des contenus : cette surface extérieure pourrait donc être presque deux fois plus faible. De plus, suite à ce que nous venons dexposer, les interactions électromagnétiques intervenant surtout en périphérie, (sur un cercle) ces astres pourraient avoir une entropie négative ! Nétant pas spécialiste, nous admettrons cette hypothèse, le premier cas interdisant à ces objets de vraiment « recycler » la matière. 16 G 2 M 2 C 4

30 31/01/ De son côté, Fred Hoyle : - défendit le concept dune apparition en tous lieux (ou dun recyclage permanent) de la matière que nous connaissons ; mais, ignorant plus ou moins volontairement les « astres compacts », pouvant seuls créer des discontinuités dans lEspace-temps et contrarier le « Principe Entropique de Carnot », il en resta à cette hypothèse élémentaire ; - puis, vers 1957, aidé de W. Fowler et des époux Burbidge, démontra que les supernovae créent puis éjectent, dans lespace, tous les éléments lourds situés au-delà du lithium. Enfin, par dérision, il qualifia de " Big Bang " la « puérile théorie de lœuf originel » et fit remarquer : quil ne sagissait que « dune nouvelle genèse scientifique » ! (Il confirma ainsi lopinion émise, fin 1951, par Pie XII) Enfin, après avoir respecté le Principe Entropique de Carnot, il nosa pas saffranchir de lEspace en Expansion.

31 31/01/ La dualité onde – particule - Kirchhoff inventa la notion de corps noir. - Planck découvrit que la puissance émise par unité de surface du corps noir, ou exitance énergétique, est une fonction de la température absolue de ce corps et que sa longueur donde varie. - Wien montra que lémission du corps noir passe par un maximum.

32 31/01/ La dualité onde-particule ou dualité onde-corpuscule est un principe selon lequel tous les objets de l'univers microscopique présentent simultanément des propriétés dondes et de particules. Ce concept fait partie des fondements de la mécanique quantique. Jean-Marc Levy Leblond et Françoise Balibar ont proposé d'utiliser le terme de « quanton » pour parler d'un objet quantique. Un quanton n'est donc ni une onde, ni un corpuscule, mais il peut présenter ces deux aspects selon le principe de complémentarité de Bohr. En 1924, dans sa thèse, Louis de Broglie affirma que toute matière (et pas seulement la lumière) a une nature ondulatoire. Il sen suit que, si la température de lémetteur est suffisamment élevée, (ce qui peut être le cas près dun astre compact), cet objet peut émettre des électrons, des protons et même des neutrons. Les astres compacts pourraient donc « produire de la matière » et, créant un environnement avec une entropie négative, sopposer localement au principe entropique de Carnot.

33 31/01/ Image de la galaxie M 87 et de son jet, en lumière visible Premier exemple M 87 (NGC 4486) dont le diamètre dépasse les années-lumière, mesure 20% de plus que notre galaxie spirale, la Voie Lactée. M87 est la galaxie dominante de lamas des galaxies de La Vierge. Située à quelque 54 millions dannées-lumière de nous, elle abrite en son centre un trou noir super-massif émettant un jet de particules de haute énergie. Cest lun des rares émetteurs dont nous sommes sûrs de la distance.

34 34 Le jet plasmatique et son panache, dont la nature exacte est encore inconnue, observés en interférométrie, dans M87. Linterférométrie est une technique, inventée par Michelson en Elle consiste à additionner la lumière collectée par plusieurs télescopes. Cela donne des franges dinterférence quil convient danalyser avec un microscope. Document Wikipédia

35 31/01/ La luminescence des jets est remarquable et la vitesse de propagation des ondes lumineuses y dépasse c ! (Ce fait semble également établi au cœur de M1)

36 31/01/ La magnitude absolue de cette galaxie est de -22. A lobservatoire de Lick, dès 1918, Heber Doust Curtis mit en évidence un jet de particules, long de 214 al, émis par son noyau. Cet objet central super-massif est maintenant estimé à trois milliards de masses solaires. Il en émane également des champs magnétiques et des ondes radio (cest Virgo A). De plus, le jet manifeste parfois de puissants flashs lumineux dont la nature est totalement inconnue. Cependant à l'opposé des sources extragalactiques repérées jusqu'ici : – souvent de la classe dite « des blazars » (où les jets plasmiques nous parviennent de face) ; – le jet de M 87 ne pointe pas vers la Terre, (cest le cas général des quasars), mais est vu sous un angle d'environ 30 degrés. Malgré sa faible distance, ce pourrait-être un quasar. Dans le cas de radiogalaxies : les jets, complètement de profil, peuvent être cachés par des lobes ou des anneaux de poussières.

37 31/01/ La violence du phénomène ne laisse aucun doute sur son origine, mais le fait demeure paradoxal : les trous noirs seraient capables démettre de la matière dans lespace, et ce, probablement en quantités beaucoup plus importantes que celle quils absorbent en même temps dans le milieu voisin. La théorie vient dêtre vérifiée grâce aux observations de Alan Marscher de luniversité de Boston : en observant, pendant plusieurs années, une bouffée de particules progressant le long du jet de BL Lacertae (BL Lac à 900 millions dannées lumière, voir ci-après), il a constaté que lobjet central a émis plus de lumière, de rayons X et de rayons gamma quil avait pu attirer de matière dans son voisinage ! Dautre part, en combinant les observations effectuées avec le VLT de lESO et le télescope à rayons X Chandra de la NASA, des astronomes ont découvert la paire de jets la plus puissante jamais observée, émise par un trou noir stellaire situé : - à 12 millions dannées lumière de la Terre ; - en périphérie de la galaxie spirale NGC 7793.

38 31/01/ Deuxième exemple BL Lacertae ou BL Lac est une galaxie active (AGN) à variations très rapides. Découverte par Cuno Hoffmeister en 1929, dans la constellation du Lézard, elle fut d'abord prise pour une étoile variable irrégulière de la Voie Lactée, et reçut un nom de variable : BL Lacertae. En 1968 John Smith à lobservatoire David Dunlap observa qu'il s'agissait d'une radio source, et qu'une galaxie très pâle l'entourait. En 1974, Oke et Gunn ont mesuré son décalage vers le rouge : z = 0,07 ; soit km/s par rapport à notre galaxie. Ce qui, en appliquant la relation de Hubble, la placerait à une distance d'environ 900 millions d'années-lumière. Sa magnitude apparente varie entre 14 et 17 sur de courtes périodes. Vu sa distance supposée, sa luminosité est surprenante mais acceptable : magnitudes absolues variant de -23 à -20. Les photos napportent aucune information complémentaire.

39 31/01/ Image composite (optique, submillimétrique et X) de la proche galaxie Centaurus A Dimportantes nébulosités apparaissent au bout des jets. Troisième exemple Image ESO - NASA

40 31/01/ Centaurus A (ou NGC 5128) est une galaxie lenticulaire située à environ 13,7 millions dal dans la constellation du Centaure. Cest lune des radiogalaxies les plus proches. Son noyau, peu visible depuis la Terre, émet deux jets relativistes dont les zones internes se déplacent à environ la moitié de c. Des rayons X sont produits aux extrémités de ces jets, dune longueur denviron al, quand ils entrent au contact des nébulosités qui sy trouvent. Dans ces nébulosités on voit apparaître des flambées détoiles. Dautre part, le bulbe de cette galaxie est surtout composé détoiles rouges « évoluées » (anciennes) et son disque de « poussières » abrite plus dune centaine de régions où se forment actuellement des étoiles. Une supernova de type Ia y fut découverte en 1986 (SN1986 G). De plus, Centaurus A est assez proche de M83. Avec les galaxies qui les entourent elles forment deux sous groupes constituant une importante partie du superamas de la Vierge, et ne se déplaçant pas lun par rapport à lautre.

41 41 Disque complet de Centaurus A vu par le télescope spatial infrarouge Spitzer. On y distingue : - un important noyau très brillant et - un vaste bulbe riche en étoiles « évoluées ». Le noyau central pourrait être « une poule prodigue »

42 42 Quatrième exemple : le mystère dune future évolution La courbe de lumière d'OJ 287 (constellation du Cancer) présente une variation périodique de 11 à 12 ans, avec un double pic de luminosité maximale étroit. Ce type de variation suggère que le moteur du phénomène est un système binaire de trous noirs super- massifs, où un trou noir, d'une masse de 100 millions de masses solaires, orbite autour d'un autre nettement plus massif. La quasi- périodicité des émissions permet de mesurer de la précession de l'orbite du compagnon (39° par orbite) et par conséquent de calculer la masse du trou noir central. Avec une masse de 18 milliards de masses solaires, lobjet central serait donc le trou noir le plus massif que l'on connaisse ! L'orbite perdrait de l'énergie par rayonnement gravitationnel ; on suppose que, pour nous, les deux trous noirs seraient amenés à fusionner dans environ ans … sauf si des émissions de jets provoquent dimportants allègements de ces objets. Distance de Hubble : 3,5 milliards dannées lumière. Magnitude apparente : 14,83 et magnitude absolue : -25,3 ce qui est énorme (+4,8 pour le Soleil, donc 7,9 x Soleils !)

43 31/01/ Application s : - pour BL Lacertae, Z = 0,007 et d = 950 millions dal ; - pour OJ 287, Z = 0,306 et d = 3,5 milliards dal. RAPPELS - 1 ***** Un parsec = 3,26 années lumière. Actuellement, on admet une « constante » de Hubble H 0 = 72 km/s par mégaparsec ou de 22 km/s par million dannées lumière. Le décalage spectral Z est tel que : En première approche, la relation de base est c Z = H 0 d : Distance dun objet = d = c Z / H 0 mais d ne peut pas dépasser 13,7 x 10 9 années lumière ! La relation nest donc linéaire que transitoirement.

44 31/01/ m = magnitude visuelle M = magnitude absolue = luminosité à 10 parsecs de la Terre M = m + 5 – 5 log (d en parsecs) Une magnitude = différence dintensité lumineuse de 2, 512 Les très grosses étoiles (telle Deneb) ont des magnitudes absolues ne dépassant pas -9 Si lon concentrait en une galaxie spirale entière en une petite région, sa magnitude absolue ne dépasserait pas les -18 Lapplication, à OJ 287, des distances de Hubble conduit à lui attribuer une luminosité fantastique ! Est-il vraiment aussi loin ? RAPPELS - 2 *****

45 31/01/ Evaluation de la distance des objets ***** Avec la diapo N°43 nous avons défini le classique calcul des distances dites de Hubble. Ce calcul ceffectue en tenant compte : - des décalages spectraux observés ; - dun effet Doppler lié à une origine de lEspace. Il existe au moins deux autres méthodes permettant destimer la distance des objets célestes : - la méthode dite « des mesures angulaires », les dimensions apparentes dun objet dépendant directement de sa distance ; - la méthode dite « des décalages spectraux spécifiques », cette méthode tenant compte successivement de la nature des milieux traversés par les ondes électromagnétiques. En ce cas, il ny a pas dorigine connue pour lEspace et deux objets ayant des décalages spectraux différents peuvent être situés à la même distance si leur lumière traverse des milieux de nature différente. Leffet Creil est de cette classe.

46 31/01/ H EST UNE REALITE ou UNE APPARENCE : Cela influe sur les distances réelles EXPANSION ou UNIVERS STATIONNAIRE ? Pour une vitesse observée, les distances calculées sont très différentes.

47 31/01/ TOUT PART DES EFFETS COMPTON et RAMAN La diffusion Compton est la diffusion d'un photon sur une particule de matière, tel un électron. On appelle effet Compton plus spécifiquement l'augmentation de la longueur donde du photon par cette diffusion. Ce phénomène fut observé, une première fois et avec des rayons X, par Arthur Compton en Il obtint le prix Nobel en RAPPELS - 3 *****

48 31/01/ L'effet Raman peut être considéré comme la généralisation de leffet Compton avec des photons de plus faible énergie. En ce cas il ny a pas émission délectrons mais seulement un effet quantique quand ces photons arrivent sur le matériau : ils frappent la matière et continuent leur route, en ayant pris ou cédé un peu d'énergie aux atomes qu'ils ont impactés. Leur énergie ayant changé, ces photons modifient leur longueur d'onde, à la hausse (vers le rouge, décalage Stokes) ou à la baisse (vers le bleu, décalage anti-Stokes) : ils ont subi l'effet Raman. Les observations se font en lumière monochromatique : il y a en ce cas une interaction énergétique et, pour une longueur donde donnée, le décalage observé dépend de la matière impactée. Ce fait, très important, permet des analyses chimiques fines ou le contrôle précis des phénomènes induits (lasers en particulier). M. Raman obtint, à son tour, le prix Nobel de physique en 1930.

49 31/01/ LEFFET RAMAN PEUT-IL VARIER ? OUI : la Diffusion Raman dépend aussi de la nature de la lumière qui impacte la matière étudiée. 1) Une « Diffusion Raman Stimulée Impulsive» (ISRS) se produit, sans seuil d'intensité, quand une impulsion laser suffisamment courte traverse de nombreux types de matière. On note alors de plus forts décalages spectraux quavec une émission monochromatique ordinaire. 2) En lumière « blanche » (poly-chromatique) et sur de longs parcours de la lumière, linteraction cesse dêtre purement énergétique. En particulier, dans les longues fibres optiques utilisées pour transmettre des informations sous les océans, on observe des décalages spectraux, dits « cohérents », modifiant uniformément lensemble du faisceau de lumière transmis dun continent à lautre. La variation relative de fréquence df / f, fonction du milieu traversé, est alors proportionnelle au chemin parcouru et indépendante de la fréquence f.

50 31/01/ Laltération de la lumière peut devenir cohérente. Le terme «CREIL » est donc un acronyme, cest-à-dire un mot constitué par les premières lettres de mots constituant une expression. Il signifie « Coherent Raman Effect on Incoherent Light » soit, en français : « Effet Raman Cohérent agissant sur une Lumière temporellement Incohérente ». En effet, la lumière ordinaire, plus ou moins « blanche », est une succession de trains dondes, dune durée denviron seconde ; sauf conditions particulières, sur la matière, elle agit donc différemment dune lumière monochromatique constituée dimpulsions bien plus courtes (souvent quelques femto seconde). 1 femto seconde = seconde En conséquence, on constate que, si les molécules ou les atomes impactés sont suffisamment éloignés les uns des autres, elle peut être assimilée à une courte impulsion. Que signifie le terme « EFFET CREIL » ?

51 L ES « V I D ES » Température et pression normales : 3 x atomes m -3 Ultra-vide ( pres. atmosphérique) : 3 x atomes m -3 (cas de la boucle du LHC de Genève) Milieu interplanétaire (1 U.A.) : ~ 10 7 atomes m -3 Milieu interstellaire : ~ 10 6 atomes m -3 Milieu intergalactique : quelques dizaines datomes m -3 (valeur supposée non encore vérifiée) 51

52 31/01/ Exemple de radio-galaxie

53 53 Quasar « habillé » et quasar « nu » Traditionnellement les quasars nous apparaissent entourés dune importante zone nébuleuse témoignant dune proche galaxie hôte. On dit quil sont « habillés ». Les quasars étant beaucoup plus brillants que les galaxies hôtes, il nest pas encore possible détudier séparément leur décalage spectral et celui de la galaxie qui les entoure vraiment. Cest donc le redshift du quasar qui permet de préciser leur distance...

54 31/01/ Pierre Magain de luniversité de Liège nous transmit cette image, parue dans Nature le 14/09/2005, dun quasar nayant pas de galaxie hôte. Il sagit de HE Daprès les distances de Hubble, ce quasar se situerait à 3 milliards dal dans la constellation du Burin (Caelum), à proximité dune zone présentant de nombreuses formations détoiles. Malgré ce net absence dentourage, un jet plasmatique semble le relier à cette zone dont il serait le géniteur... Image ESO – VLT – Paranal : la photo, son agrandissement et son interprétation Cinquième exemple … et sa suite : le grand mystère

55 A gauche, l'image en lumière visible obtenue par la caméra ACS du télescope spatial Hubble ne révèle aucune trace de galaxie autour du quasar mais une galaxie compagnon très proche. A droite, les contours, délimitant l'intensité de la lumière infrarouge (à 8.9 microns) mesurée par la caméra VISIR au foyer du télescope VLT (Chili), sont superposés sur l'image visible. L'importante émission infrarouge de la galaxie compagnon, située dans la direction du jet du quasar, est le signe d'une importante formation d'étoiles induite par le quasar. Crédit CEA/SAp

56 31/01/ La traditionnelle image de notre galaxie sur le fond du ciel. Crédit WMAP Un simple disque : on parle peu des nuages de matière interstellaire et de ce qui peut leur avoir donné naissance...

57 31/01/ Le halo de notre galaxie est bien plus important que ce qui était envisagé : il existe des filaments contenant dénormes quantités de matière froide (noire).

58 58 Projet E – ELT de lESO ? Projet NASA : le JWST Lancement vers 2015 Diamètre 6,5 m Rayons infrarouges Satellite GLAST – FERMI NASA – ESA - Japon Lancement 11 juin 2008 Etude rayons X et

59 31/01/ CONCLUSION Compte tenu des connaissances actuelles ; des observations récentes transmises par les télescopes terrestres et célestes ; des calculs réalisés : nous sommes à la limite des hypothèses et des certitudes. Les trous noirs pourraient être à la fois « monstres voraces », annihilant matière et rayonnements électromagnétiques puis « poules prodigues » par émissions de puissants jets plasmatiques donnant naissance à de nouveaux ensembles stellaires... Ils nexploseraient pas mais leurs masses et leurs volumes pourraient varier au cours du temps et de leur environnement.

60 31/01/ Le grand livre de lUnivers Continue de nous faire rêver ; Dès quune page est bien tournée, Nous pensons percer le mystère ! Mais il na pas tout dévoilé ; Eveillant la curiosité, Puis à toute hypothèse ouvert Pour que soit faite la lumière : Big-bang, et Monde en expansion ? Infini, Monde stationnaire ? Mais doù vient toute la matière ? Poules prodigues tous ces trous noirs, Ou simplement armageddons ? Nous attendons avec espoir DHerschel et Planck les résultats Pour avancer dun nouveau pas … Christiane Poyer

61 61 BON CIEL A TOUS S.A.F.


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