Gravitation et Trous Noirs Françoise Combes Observatoire de Paris

Gravitation Un peu d'histoire… 1638- Galilée: tous les corps ont la même accélération (indép. de la masse, composition chimique, etc..), fait abstraction de la résistance de l'air Képler: attraction émanant du soleil (pas de lien avec la pesanteur terrestre) 1666- Newton: loi d'attraction en 1/r2 (fait le lien ente la Lune et la 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 électromagnétique médiateur 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-temps Durées et longueurs dépendent de la vitesse de l'observateur temps élastique

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

1915- Einstein: Relativité générale L'espace-temps est courbe, toute masse déforme l'espace environnant Energie équivalente à la masse E= mc2 Le tenseur impulsion-énergie définit la 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 se courbe, 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 stellaire Etoiles binaires dont on peut déterminer la masse Cygnus 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 1 milliards de masses solaires => quasars Trous noirs primordiaux? Ils s'évaporent Les 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 Eckart & Genzel 97 Sans Avec trou noir M=2 millions de Msolaires Mouvements propres Images Infra-rouge

Astrométrie et mouvements propres au centre galactique

Animation du mouvement des étoiles Max-Planck Institut, Allemagne

Expériences de lentilles gravitationnelles Evènement OGLE1 Fenêtre de Baade

Naines blanches? Les résultats des expériences MACHOS, EROS, OGLE, DUO exitence 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 La lumière contourne le trou noir Parfaite réflexion-- trou noir

Le trou noir est entouré d'un disque brillant On l'observe à 10° Le disque est complètement déformé, par rapport à un astre classique On voit aussi le dessous!

Mirages gravitationnels Dans cette simulation, la lentille, ponctuelle, est représentée par l'étoile blanche. La source est une galaxie PKS-1830 2 images+ anneau 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 la lentille, la galaxie source est moins déformée (b,c,d).

Cisaillement gravitationnel Déformation des galaxies derrière un amas dense

Ondes gravitationelles Lorsque le trou noir est en rotation, il modifie sans cesse la géométrie autour de lui, cela se fait par des ondes gravitationnelles qui propagent la perturbation Lorsque la masse est transférée du compagnon stellaire au trou noir les perturbations se propagent par ondes gravitationnelles

De même lors de la collision entre deux trous noirs, ou l'explosion de supernovae, etc.. Nébuleuse du Crabe en rayons X Supernovae en l'an 1054 Etoiles à neutrons, pulsar tourne sur elle-même 30 fois par seconde Particules de haute énergie éjectées + jet

Trous Noirs Supermassifs Haute 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 est courte, quelques 10 millions d'années La masse du trou noir est proportionnelle à la masse du bulbe, 0.2 %

Ejection de plasma: lobes radio Cygnus A

SS433: micro-quasar

Microquasars

Schéma de formation des structures Fluctuations primordiales fond cosmologique Structures filamentaires simulations cosmologiques Galaxies baryoniques vues avec le HST

Relation Trous Noirs-Galaxies Mbh = 0.2% Mbulge Bleu: vitesses stellaires Vert: vitesses du gaz Rouge: disques de masers H2O, OH..

Densité des quasars radio Les quasars optiques suivent la même courbe très similaire à l'histoire de la formation d'étoiles

Schéma de formation parallèle des 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