mise à jour le 27
Janvier 2005
CONFÉRENCE
SUR "LES TROUS NOIRS GÉANTS"
Sous
titrée "Depuis les quasars jusqu'au cœur de la Voie lactée"
Par Suzy
COLLIN-ZAHN,
Astrophysicienne à l'Observatoire de Meudon
Directeur de
recherches au CNRS
Organisée par la
SAF
À l'Institut
Océanographique rue St Jacques, Paris
Le Mercredi 19 Janvier 2005 à 20H30
Photos : JPM pour
l'ambiance.
BREF COMPTE RENDU
Suzy Collin,
présentée ici par Claude Picard président de la commission de cosmologie de la SAF, est
astrophysicienne, elle s'intéresse aux quasars depuis sa thèse sur ce sujet et
c'est devenue une grande spécialiste de ces drôles de phénomènes.
MAIS AU FAIT QUE
SONT CES QUASARS?
Quasars c'est
l'abréviation anglo-saxonne de quasi stellar radio
sources (source radio quasi stellaire) on dit aussi QSO (Quasi Stellar
Object).
Ce sont des astres
(qui ont été découverts dans les années 1960 au Mont Palomar comme source de
rayonnement radio par Maarten Schmidt), très lumineux qui ressemblent à une
étoile mais qui ont un très grand redshift z.
Le facteur
"redshift" z représente le décalage de la longueur d'onde de la
lumière mesurée par rapport à la longueur d'onde réelle.
z = (λ mesurée - λ réelle) / λ réelle
Les étoiles et
galaxies s'éloignent de nous provoquant un décalage de leur lumière vers le
rouge par effet Doppler, plus la lumière est rouge plus elles sont loin, z rend
compte de ce décalage , voici un site US
qui définit clairement ce facteur indicateur de distance avec un exemple de
calcul.
En d'autres mots,
plus le z est grand et plus la distance est grande.
Il caractérise aussi le "retour en arrière" vers l'origine (le BB),
par exemple un z= 0 veut dire l'état actuel; z= 1 45% de l'age de l'univers soit 6 milliards d'al : z= 7
correspondant à 5% de l'age de l'univers, 700.000 ans après le BB; plus z
grossit plus on se rapproche du Big Bang.
Les redshifts que
l'on connaissait dans les années 1960 étaient inférieurs à 0.20 (4 milliards
d'années lumière).
Les quasars ont
des z généralement beaucoup plus élevés. Les plus éloignés, sont à 13 milliards
d'années lumière de nous (z=5,8) ce qui veut dire qu'ils ont vécu environ un
milliard d'années après le Big Bang (avec comme paramètres H0 = 68 km/s/Mpc ,
densité matière 0.3 (30%) et densité énergie noire 0.7).
Ces quasars sont
peu visibles mais en gamma ils apparaissent très brillants comme par exemple 3C279.
Ils sont
très puissants et très lointains.
L'énergie rayonnée
par un quasar typique est équivalent à 10.000 galaxies
(1040 W) ou 1000 supernova par an.
Ils sont
aussi très petits et d'éclat variable.
Leur dimension est
parfois inférieure à quelques heures lumière c'est à dire un milliard de fois
plus petit qu'une galaxie.
Il y a là un
paradoxe que les astrophysiciens doivent résoudre : comment produire autant
d'énergie dans un si petit volume????
Il est impossible
de mettre tant d'étoiles dans un si petit volume.
La solution viendra
20 ans plus tard : c'est l'énergie gravitationnelle
qui est en jeu.
CE CORPS NE PEUT
ÊTRE QU'UN TROU NOIR.
Tout corps peut
devenir un trou noir si ses dimensions sont suffisamment petites, comme il a
été montré dans un article précédent.
En simplifiant
(car il faudrait en fait se placer dans le cadre de la relativité générale) ,
on peut dire que tout cela est lié à la notion de
vitesse de libération : vitesse qui permet de quitter l'attraction d'un
astre.
Plus l'astre est
massif plus la vitesse de libération est grande; alors certains (déjà au
XVIIIème siècle!!!) se sont posé la question suivante : quelle doit être la
taille d'un astre pour que la vitesse soit égale à celle de la lumière?
Bonne question en
effet. Il deviendrait alors un astre dont même la lumière ne pourrait pas
s'échapper : un trou noir.
Facile à calculer,
pour le Soleil, il faudrait qu'il ait 3km de diamètre pour devenir un trou
noir; pour 100 millions de soleil (masse typique d'un quasar) cela ferait 2 UA
(unité astronomique).
Pour une masse donnée le rayon limite est
appelé rayon de Schwarzschild (Rsch = (2 G M) /c2) ou horizon du
trou noir (event horizon en anglais).
Alors comment
devient on trou noir, par vocation?
Non tout est
déterminé à la naissance de l'étoile, par sa masse
quand elle commence à allumer les réactions nucléaires.
Son avenir est
tracé, une étoile moyenne comme notre Soleil va vivre pendant 10 milliards
d'années puis grossira pour devenir géante rouge et s'écroulera ensuite sur lui
même : une naine blanche est née.
Les étoiles plus
massives ont une vie beaucoup plus brève et vont finir par exploser. Elles
grossissent et deviennent des géantes qui explosent en supernova. Le reste de
l'étoile devient alors soit une étoile à neutrons (masse < 3 Ms) ou un trou
noir (masse > 3 Ms).
Au
centre des quasars se trouve un trou noir; comment est il alimenté?
C'est simple, il
avale tout ce qui est dans sa zone d'action : gaz interstellaire et étoiles.
(dessin Félix
Mirabel CEA/ESA)
Le gaz ou la
matière ainsi avalé spirale autour du trou noir avant d'y pénétrer et perd
ainsi son énergie par friction.
Il se crée un disque d'accrétion, qui produit du rayonnement , et
un jet des deux côtés le long de l'axe de
rotation.
On peut voir sur
cette animation un disque d'accrétion (en simulation) en train de se
former, il vous faut Media Player que vous avez certainement sinon c'est
gratuit à télécharger, allez y cela vaut le coup de voir cela. (crédit
: Reference: C.Kindl, Diploma Thesis (Radiation Fields of AGN-Accretion Disks),
U Heidelberg (IWR) 1995). On
voit les rayons de lumière courbés par la gravité, on peut ainsi même arriver à
voir "derrière" le trou noir.
ON A MAINTENANT
PLUSIEURS PREUVES DE L'EXISTENCE DES TROUS NOIRS DANS LES QUASARS.
Les raies spectrales (en X) sont émises
tout près du centre et sont déformées par le champ de gravité intense.
La puissance émise correspond à la
puissance maximum des trous noirs avalant du gaz, soit 1040 W pour 1
milliard de Ms
La zone d'émission est très réduite.
Alors la question
que l'on peut se poser est la suivante : avons nous des quasars dans notre
voisinage?
Il serait bon de
le savoir avant qu'il nous avale.
La réponse est :
OUI mais moins puissant (Ouf on respire!).
LES NOYAUX ACTIFS
DE GALAXIES (Active Galaxies Nuclei en anglais).
Ces
"mini" quasars sont au cœur de 2% des galaxies proches, ce sont des
noyaux très denses et très lumineux, plus lumineux que la galaxie entière, mais
quand même 10 à 100 fois moins lumineux que les "vrais" quasars.
On les appelle d'un nouveau nom, les noyaux
actifs de galaxies et les galaxies qui les contiennent s'appellent des galaxies
actives.
Ils ont les même
caractéristiques que les quasars.
Un exemple ce ces
noyaux actifs de galaxies est NGC 4261 vu par Hubble.(photo de gauche).
Il existe
plusieurs sortes de ces galaxies "quasariennes", notamment :
LES GALAXIES DE
SEYFERT;
La plupart (90%) n'émettent aucun
rayonnement dans le domaine des fréquences radio; ce sont les galaxies de
Seyfert (du nom du découvreur Karl Seyfert)
Les noyaux de ces galaxies
émettent souvent 10 fois plus de lumière qu'une galaxie standard et leur
luminosité peut aussi varier dans le temps.
Il y a encore des
autres objets que l'on compare aux quasars , ce sont en particulier :
LES RADIO
GALAXIES.
Les 10% restant de
galaxies actives, émettent dans le domaine des radio fréquences, l'émission
provient du cœur et de lobes symétriques provenant de la rencontre tumultueuse
des jets de la galaxie avec le gaz interstellaire.
Image radio de la
galaxie Cyg-A (à 21cm), dans le Cygne. À gauche
(Crédit VLA Conway
et Blanco).
On voit
parfaitement les deux lobes s'étendant sur 500.000 années lumière et le noyau
central.
Voici la même
image en X par le satellite Chandra. À droite
Et voici à gauche
l'explication graphique par l'observatoire Chandra
Cyg-A est à 700
millions d'al de nous.
C'est la radio
source la plus puissante du ciel!
On peut aussi voir
comme exemple le
noyau de M87 vu par Hubble et Chandra.
OÙ SONT PASSÉS LES
QUASARS D'ANTAN?
Lorsque les
quasars cessent de rayonner (car ils ne vivent pas vieux sinon ils
deviendraient trop massifs), les trous noirs restent!
On doit donc
retrouver la même masse sous forme de trous noirs dans notre environnement
proche.
Mais la masse des
trous noirs dans les noyaux actifs de galaxies proches de nous est cent fois
plus petite, alors?
Les cœurs des
galaxies "normales" contiennent aussi des trous noirs massifs.
On estime la masse
du trou noir en étudiant par effet doppler les mouvements des étoiles et du gaz
qui l'entourent, car il leur donne de grandes vitesses; il entraîne en effet
dans sa course les étoiles qui lui sont proches.
On trouve qu'il
existe des trous noirs de 1 million à 1 milliard Ms au
sein de nombreuses galaxies (probablement au sein de pratiquement toutes
les galaxies). Et leur masse totale est approximativement égale à la masse des quasars
éteints. Donc c'est une bonne preuve.
ET NOTRE GALAXIE À
NOUS? LA VOIE LACTÉE
Elle n'échappe pas à la règle, on vient de trouver un immense trou
noir de quelques millions de Ms au centre de la Voie Lactée dans le Sagittaire,
il s'appelle SgrA*.
Article à ce sujet
: voir présentation
Le trou noir au
centre de la galaxie en français.
On consultera
aussi avec intérêt la conférence
de D Rouan au sujet du Trou Noir de notre galaxie.
Il y a sur le site
de l'observatoire Gemini une très belle animation (13MB!! Malheur à ceux qui
n'ont pas le haut débit!!) que vous pouvez sélectionner en allant sur
cette page
Un
travail portant sur 15 ans a permis de déterminer la masse de ce trou noir
géant : plus de 3 millions de Masses solaires.
Une chance il
n'est pas actif et relativement petit!
Mais comme le dit
notre conférencière, attention il peut redevenir actif dans….quelques millions
ou milliards d'années.
Et de conclure sur
notre Galaxie qui va peut être absorber les nuages de Magellan.
Merci Madame
Collin de nous donner de l'espoir sur la possible montée en grade de notre
habitat cosmique.
Vous nous avez
emmené très loin dans l'espace et dans le temps il faut maintenant s'attaquer à
des contingences plus terrestres, rentrer chez soi à quelques pico secondes
lumière.
QUELQUES
RÉFÉRENCES :
DES LIVRES :
** Livre de Suzy
Collin (avec G Stazinka) Aux Confins de l'Univers, les Quasars (épuisé)
** Les
trous noirs de JP Luminet en
poche dans la série Sciences au Seuil (8,50 €)
Remis à jour
récemment
Un très bon
ouvrage de référence très clair avec de nombreuses illustrations.
** Pour la Science numéro spécial Juillet 1997 : épuisé
un article à ce
sujet a été scanné et est proposé sur le web,
c'est " Plongeon dans un trou
noir" de JP Luminet.
DES MAGAZINES
SPÉCIALISÉS :
** Ciel et Espace Février 2005 ; en plus de Titan (bien
sûr) article sur le trou noir au centre de la galaxie par
Jean-François Haït: L'existence
d'un trou noir massif au centre de notre galaxie se confirme de jour en jour.
Une équipe du CEA apporte de nouveaux indices, qui semblent confirmer la
rotation du trou noir. Prochaine étape : l'observation de celui-ci grâce à un
interféromètre radio géant.
** Science et Vie Février 2005 : Article de fond sur
"Notre Galaxie est une cannibale!" (18 pages) par B Noël L Orluc et v
Greffoz
simple et de
belles et claires illustrations.
DES SITES INTERNET
UTILES POUR ALLER PLUS LOIN :
Thierry
Lombry de Luxorion
sur les Quasars.
Le trou noir
au centre de notre galaxie par l'ESO. En français.
Foire aux questions
(FAQ) à propos des quasars (anglais mais simple)
Cours
sur les trous noirs par l'Université du Tennessee (vous savez là d'où venait
Davy Crockett!!) super bon.
Hubble
et les quasars.
Chandra et les
quasars
Hubble et le trou
noir massif de notre galaxie.
Notre trou noir a été actif
récemment d'après l'ESA, info très récente (26 janvier 2005)
Encore un site sur le super trou noir
de notre galaxie.
Explications simples sur
les trous noirs en anglais par la NASA.
Les noyaux actifs de
galaxies par le GSFC (anglais).
Article précédent dans les Astronews :
un trou ça va, deux trous bonjour les dégâts!
Bon ciel à tous
Jean Pierre
Martin www.planetastronomy.com
Membre de la SAF