SAF cosmologie collin trous noirs massifs



Mise à jour le 13 Mars 2010


CONFÉRENCE de Suzy COLLIN-ZAHN
Directeur de recherche CNRS Observatoire de Paris Meudon (LUTH) "LES TROUS NOIRS SUPER MASSIFS DANS L'UNIVERS"
Organisée par la SAF
Dans ses locaux, 3 rue Beethoven, Paris XVI

Le Samedi 6 mars 2010 à 15H00 à l'occasion de la réunion de la Commission de Cosmologie.

Photos : JPM pour l'ambiance. (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos si nécessaire
(Suzy Collin a eu la gentillesse de nous donner sa présentation complète (en ppt) elle est disponible sur le site de la SAF et également disponible sur ma liaison ftp au téléchargement et s'appelle. TN-collin-SAF.ppt. elle est dans le dossier COSMOLOGIE SAF, attention les animations ne sont pas incluses pour le moment, il faut les prendre dans ce compte rendu, voir la fin, elles sont en principe dans l'ordre (de 1 à7) dans lequel elles apparaissent dans le diaporama ).
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.



BREF COMPTE RENDU


Salle particulièrement bien remplie pour Suzy Collin-Zahn, il faudra vraiment trouver un autre arrangement de salle pour pouvoir placer plus de monde.




Le compte rendu sera succinct étant donné que la présentation est disponible au téléchargement.

Les animations qui ne sont pas incluses dans la présentation ppt, sont disponibles séparément, elles sont au format quicktime.

Plan de la présentation :
· Rappel historique sur les trous noirs.
· Notion sur les TN
· Quasars et TN super massifs (TNSM)
· Impact des TNSM sur la formation des galaxies.







RAPPELS HISTORIQUES.

C'est au XVIII^ème siècle que Laplace et John Mitchell imaginent un astre bizarre d'où la lumière ne pouvait pas sortir.
C'était l'ancêtre des trous noirs.
Ils pensaient même que si une étoile était 500 fois plus massive que le Soleil, sa vitesse de libération serait égale à la vitesse de la lumière et serait donc telle que sa lumière ne pourrait pas sortir.

Au XX^ème siècle, c'est Einstein avec sa théorie de la relativité générale qui introduit la notion d'espace courbé par la masse, mais c'est Karl Schwarzschild qui établit le premier en 1916 la théorie des trous noirs. Il meurt malheureusement très tôt pendant la grande guerre.


QU'EST CE QU'UN TROU NOIR?



Les trous noirs (TN) sont des corps si massifs qu'ils absorbent tout, même la lumière.
On ne peut donc pas les voir ou les détecter directement.

Un trou noir est défini par seulement trois paramètres :

· Sa masse
· Sa charge électrique (supposée nulle)
· Son spin, c'est à dire une quantité liée à la rotation de ce corps.

Un trou noir possède aussi un horizon des événements (event horizon en anglais), frontière entre deux univers différents. C'est la limite à partir de laquelle on ne peut plus s'échapper du TN.


On ne sait rien de ce qui se passe à l'intérieur d'un TN.

Il existe des TN statiques ou en rotation (TN de Kerr).

La dernière orbite stable pour un TN statique (sans rotation) est égale à 3 Rs, pour un TN en rotation, elle est inférieure à Rs.


Les trous noirs stellaires :

Les étoiles massives ont une fin de vie difficile; elles explosent en expulsant leurs couches extérieures.
Cela peut donner naissance à deux phénomènes :
· pour une étoile pas trop massive (3 masses solaires) : une étoile à neutrons
· pour une étoile beaucoup plus massive : un trou noir.


Mais ce qui nous intéresse ce soir ce sont :


LES TROUS NOIRS SUPER MASSIFS (TNSM).

Ce qui veut dire de un million à quelques milliards de masses solaires.

En 1963 on découvre les quasars (acronymes de Quasi Stellar Radio Sources).

Marteen Schmitt identifie deux radio sources : 3C273 et 3C48 (C= catalogue de Cambridge)
Ces objets radio n'étaient pas des étoiles, et l'émission de leur raie H était profondément décalée, décalage dû au redshift, car ces objets étaient très distants. On mesurait un z (facteur de redshift) de 0,16 pour 3C273.
3C273 était éloigné de 2 milliards d'al et 3C48 de 5 milliards d'al. C'étaient à l'époque les objets les plus éloignés observés.

Ils étaient aussi très lumineux : 1000 fois la Voie Lactée toute entière!! Ils varient aussi très rapidement, en quelques jours ou en quelques heures et sont très petits (quelques heures lumière seulement).

Comment expliquer que de si petits objets puissent émettre autant d'énergie : une seule réponse ce sont des trous noirs.

Mais alors comment un TN peut-il rayonner?
Il avale en fait la matière qui se trouve autour de lui à une vitesse proche de la lumière. Cette matière avant d'être absorbée rayonne intensément; il se crée aussi un disque d'accrétion un peu semblable au disque proto planétaire autour d'un système solaire en formation.
C'est ce disque d'accrétion qui rayonne. Il rayonne avec une "efficacité" de 30% de mc² (le Soleil lui ne réussit que 3% approx.).

La puissance générée serait de l'ordre de 1000 galaxies!



En 1943 Carl Seyfert découvre des galaxies "spéciales" comme NGC 5548, ce sont des galaxies spirales mais avec un centre très éblouissant, ce sont des objets similaires à des quasars, elles ont le même spectre, comme on le voit sur cette image.


On les appellera des galaxies de Seyfert.


On découvre aussi des radio-galaxies comme Cygnus A et Virgo A en 1952.







Tous ces objets bizarres comme :
· Les Quasars
· Les galaxies de Seyfert
· Les radio-galaxies
font partie de la famille des AGN (Noyaux Actifs de Galaxies soit Active Galaxy Nucleus).
Les AGN sont des galaxies qui émettent des quantités énormes d'énergie (rayonnement thermique dû à l'accrétion, sauf en radio et en gamma).


La plupart de ces objets (autre que les quasars) contiennent en leur centre un TNSM mais cent fois moins puissant que celui des quasars.


Il n'y a pas de quasars proche de nous (tant mieux!) pourquoi?
Parce que en fait ce sont des objets qui se sont formés peu après le Big Bang (le plus "loin" est à 800.000 ans après le BB), ce sont des objets du passé.





Rapprochons nous de notre environnement, la galaxie d'Andromède (M31) n'est pas si calme que cela.



Il y a interaction entre M31 et M33.
En étudiant le noyau d'Andromède, on remarque une petite spirale qui montre que M32 avait traversé frontalement cette galaxie.

M32 possède un TN de 2 millions de masses solaires.

Les collisions entre galaxies, étaient de plus en plus fréquentes dans le passé, dues à l'expansion de l'Univers.




Ces interactions entraînent ces phénomènes :
· L'accrétion des TN centraux
· L'activité du noyau
· La formation d'étoiles.

Signalons que notre galaxie, n'a pas encore été témoin de collision de galaxie, mais ce ne saurait tarder, dans quelques milliards d'années, Andromède nous percutera.


La fin des quasars.

Au bout d'approximativement 100 millions d'années, le quasar a avalé tout ce qui est à sa portée, il s'éteint mais garde sa masse.
On ne le voit donc pas.

Il devrait y en avoir tout autour de nous. Alors où sont-ils?

Depuis les années 1990 on étudie avec les télescopes terrestres et spatiaux les masses des centres des galaxies, en s'intéressant au mouvement des étoiles et du gaz. Plus les mouvements détectés sont rapides, plus la masse est grande.

Que détecte-t-on? Les noyaux des galaxies "normales" recèlent des masses énormes, par exemple Andromède a un centre de 30 millions de masses solaires.

Ce sont manifestement des trous noirs super massifs qui sont situés au centre de toutes ces galaxies.

Notre propre galaxie recèle en son centre un immense trou noir de plus de 3 millions de masses solaires, comme on le voit sur ce mouvement des étoiles centrales étudié pendant une quinzaine d'années.

Il semble après analyse que les galaxies ayant un noyau (c'est à dire toutes sauf les irrégulières) possèdent un TN central, dont la masse serait liée à la masse du bulbe par cette relation :



MASSE DU TROU NOIR = 1/1000 MASSE DU BULBE et

RAYON DU TROU NOIR = 1/100 000 000 RAYON DU BULBE


Pourquoi de telles relations?








LES TNSM ET L'ÉVOLUTION DES GALAXIES.

Parce que le trou noir central a une influence sur l'évolution de la galaxie toute entière. Comment?

Parce que probablement TN et galaxie formaient un ensemble au début de l'Univers.
Le TN était-il une sorte de catalyseur ou au contraire un facteur bloquant?

Bloquant : par exemple, Chandra a mis au jour des ondes sonores provenant de l'environnement du TN, cela arrête la formation des étoiles et l'accrétion, dans la galaxie de Seyfert NGC 1275.

Mais par contre dans le cas du quasar HE0450-2958 le TN se comporte en catalyseur.

Donc probablement que ces deux effets jouent de différentes façons, il faut donc de nouvelles observations.


Comment les TNSM se forment-ils?

Se sont-ils formés avant ou après les proto galaxies? Avec quelle masse?
Comment expliquer des TN si massifs peu de temps après le BB?
On n'en sait rien.





Et les trous noirs intermédiaires, existent-ils? Sont-ce des petits TNSM?


Un exemple de TN intermédiaires : les ULX (Ultra Luminous X-ray source) comme dans la roue de chariot.
Ce sont des binaires X de 10 à 10.000 masses solaires (seulement!).









Une question intéressante : les TN éteints peuvent-ils se rallumer?

Et bien, oui! Il suffirait qu'un nuage de gaz tombe dessus; c'est ce qui s'est passé dans notre Galaxie, il y a 5 millions d'années, et qui se reproduira certainement de nouveau.
De même dans 4 milliards d'années, lorsque Andromède nous rencontrera, le TN central sera probablement fortement réactivé.


Une dernière question : les TNSM ont ils une influence sur le destin de l'Univers?

À priori, oui, car les TN ont une entropie proportionnelle à M², et ils ont dominé l'entropie de l'Univers.
Leur masse va atteindre une constante , mais seulement dans ……………10¹² ans!! Mais cela dépend aussi de l'énergie noire.

Bref, on a le temps de voir venir!






POUR ALLER PLUS LOIN.

Le dernier livre de S Collin-Zahn : Des quasars aux trous noirs chez EDP Sciences.

Les diverses animations de cette conférence ne sont pas dans le ppt, il faut vous reporter aux adresses suivantes pour les télécharger :
Vidéos avec commentaires de SCZ :

Vidéo 1 : Comment un trou noir se comporte au centre d'une galaxie.

Vidéo 2 : simulation par ordinateur d'une collision de galaxies.

Vidéo 3 : Mise en évidence du TN au centre de notre galaxie.

Vidéo 4 : Mise en évidence du TN au centre de notre galaxie mais en 3D.

Vidéo 5 : Comment le TN de la galaxie NGC 1275 empêche la galaxie de grossir.

Vidéo 6 : Le plus petit TN massif détecté dans Omega du Centaure.

Vidéo 7 : Simulation de la collision de notre galaxie avec Andromède.



Le mystère des trous noirs par N Rumiano.

Autour d'un trou noir par astronomes.com.

Les trous noirs géants par S Collin Obs de Paris le 19 Janvier 2005 SAF/Amphithéâtre

La détection des trous noirs par M Urry symposium COSPAR UNESCO Paris Janvier 2010.

Les trous noirs massifs par R Genzel UNESCO Janvier 2009.

Tourisme dans le monde des TN par H Reeves Cité des Sciences 10 nov 2008.

Voyage autour et à l'intérieur d'un TN par A Riazuello SAF commission cosmo 28 Juin 2008.

Les trous noirs de Kerr par J Fric SAF commission cosmo 20 Sept 2008.

Sur M31 M32 et M33 par Harvard.



Bon ciel à tous

Jean Pierre Martin SAF Commission de Cosmologie
www.planetastronomy.com
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