mise à jour le 29 Décembre 2006
 
 
CONFÉRENCE SUR :
"TROUS NOIRS ET ÉNERGIE SOMBRE".
Par Jean Pierre LUMINET Astrophysicien, Directeur de recherche au CNRS.
Dans le cadre des RCE 2006
Organisée par l'AFA à la Cité des Sciences de Paris
 
Le Samedi 11 Novembre 2006
 
 
 
Photos : JPM pour l'ambiance. Les photos en haute définition sont disponibles sur simple demande pour ceux qui le souhaitent, de même toutes les photos de cette soirée ne sont pas dans cet article, car j'en ai fait plus de 400, ceux qui sont intéressés par un sujet précis peuvent me contacter, je les leur ferai parvenir par mail.
Les photos des slides sont du conférencier.
 
REMARQUE : Les comptes rendus des conférences sont mis en ligne au fur et à mesure Vous vous en apercevrez en allant voir la page du compte rendu général de temps en temps à l'index "conférences", je signalerai les mises en ligne dans la fenêtre des mises à jour du site
 
BREF COMPTE RENDU
 
 
 
 
Un monde fou pour assister à cette conférence qui a comme sous titre "Le destin de l'Univers", c'est aussi le titre du dernier livre de JPL que je vous recommande à vous qui avez toujours voulu tout savoir sur les trous noirs sans jamais avoir osé le demander.
 
 
 
On ne présente plus JPL mais pour les nouveaux dans ce domaine, deux mots :
 
Jean-Pierre Luminet est Directeur de recherche au CNRS, astrophysicien à l'Observatoire de Paris-Meudon et spécialiste de réputation mondiale sur la cosmologie et la gravitation relativiste.
 
 
Il a publié plus d'une dizaine de livres, parmi lesquels le très célèbre "L'Univers chiffonné" (Fayard, 2001).
 
Voici sa page web personnelle.
 
 
 
 
 
 
Comme il le dit en préambule, les trous noirs c'est un retour aux sources, c'était ses premiers sujets de réflexion.
 
 
LES TROUS NOIRS INTRODUCTION.
 
Einstein les contestait, mais ses équations amenaient à une courbure de l'espace-temps.
Puis les glorieux ancêtres ont aussi activement posé leur pierre à cet édifice : Schwarzschild; Oppenheimer; Chandrasekhar; Lemaître etc.. Lemaître est peu connu pour ses travaux sur les TN , mais il a été un des premiers à démontrer des théories sur ceux ci, et comme ce qu'il l'a poursuivi dans une partie de sa vie; son travail ne sera pas lu (le Français était déjà une langue en voie de disparition!).
 
La formation des TN apparaît dans le cadre de l'évolution stellaire.
 
Les nébuleuses "planétaires" (mal nommées) ont en leur centre une naine blanche (comme la Ring Nebula M57) ou une super nova (comme la nébuleuse du Crabe).
 
 
Diagramme d'évolution des étoiles.
En horizontal, la masse par rapport à la masse de notre Soleil prise égale à 1.
Échelle graduée de 1 à 100
 
En vertical la densité centrale de l'étoile en g/cm3 (rappel densité eau = 1; densité moyenne de notre planète = 5,5 ; densité moyenne du Soleil = 1,4 au centre = 150).
Échelle graduée de 1014 (vers le bas, étoiles à neutrons) à 102 au niveau du marquage pointillée.
Les étoiles les plus à gauche (faible masse) vont aboutir à des naines blanches; par contre celles dépassant la limite de Chandrasekhar aboutiront soit à des étoiles à neutrons et pour les hyper massives à des trous noirs.
La limite LOV est en abrégé la limite Landau-Oppenheimer-Volkoff, limite à partir de laquelle les neutrons deviennent eux mêmes relativistes et s'effondrent en TN.
 
 
 
 
Sur ce graphe, JPL nous montre la taille et l'évolution en grandeur comparée des différentes étoiles.
 
 
La réduction de taille d'une géante rouge au Soleil est de 250; du Soleil à une naine blanche de 100; d'une naine blanche à une étoile à neutrons de 500 et finalement d'une étoile à neutrons à un Trou Noir de 5.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LES DIFFÉRENTS TYPES DE TROUS NOIRS.
 
LA PHYSIQUE DES TN.
 
 
Le trou noir est une distorsion extrême de l'espace-temps et implique un effondrement gravitationnel qui émet des ondes de gravité.
 
Le théorème de la calvitie du TN que l'on peut résumer ainsi: "Un trou noir n'a pas de poils!" (en anglais : Black Holes have no hair!); ce qui signifie que tout est avalé, il conserve une forme des plus simples : une sphère lisse en rotation, d'où le fait qu'il ne peut y avoir de "poils".
 
En fait seuls trois paramètres décrivent les TN :
·        sa masse
·        sa charge
·        son moment angulaire
 
De plus, un trou noir ne peut que grandir et c'est irréversible.
 
 
 
 
 
Il existe différentes catégories de TN :
·        Les trous noirs primordiaux (ou mini trous noirs), crées au moment du BB. (spéculatif pour le moment)
·        Les trous noirs stellaires correspondent à l'effondrement d'étoiles massives après la phase super nova.(entre 3 et 100Ms)
·        Les trous noirs intermédiaires. (inférieur à 100.000Ms)
·        Les trous noirs super massifs qui siègent au centre des galaxies (comme la notre par exemple).(de l'ordre du million de Ms)
 
L'échelle des masses (horizontale) en fonction de la masse solaire, il y a un facteur 1000 entre chaque graduation.
 
Ces trous noirs "primordiaux" ont pu aussi se former au début du Big bang (idée de S Hawking en 1971) qui auraient donné naissance à des mini trous noirs, extrêmement petits (masse < à celle d'une montagne) et qui seraient soumis à des effets quantiques.
Ils ……s'évaporeraient!
 
Mais là, il y a un paradoxe, si le TN s'évapore, restitue-t-il l'information qu'il contient?
Hawking pensait qu'il y avait perte énorme d'information, mais l'information ne peut pas être perdue (mécanique quantique).
Il se trouve que Hawking avait tort.
 
 
 
 
 
 
VISUALISATION DES TROUS NOIRS.
 
La première simulation de l'apparence d'un trou noir entouré d'un disque d'accrétion, a été faite par JPL lui même en 1979. plus tard cela a été perfectionné par Jean-Alain Marck en 1993.
 
Un film en a été tiré (dont je n'ai pas les références), mais un assemblage de photos se trouve sur une des slides suivantes.
 
La séquence d'images correspond à une plongée dans le TN suivant une trajectoire parabolique de la droite vers la gauche sur le graphique situé en haut à gauche de la photo de droite ci dessous.
 
 
Des distorsions dues aux mirages gravitationnels déforment notre vue plus on s'enfonce.
 
 
 
 
 
 
 
 
Trou noir entouré d'un disque (en rouge à gauche) observé d'une grande distance, à cause de la courbure de l'espace temps au voisinage du TN, le dessus du disque est très déformé, le dessous du disque est aussi visible en tant qu'image secondaire.
Voici le plongeon dans le TN; au départ sous le plan du disque d'accrétion (en 1,2 et 3, on lit de g à d et de bas en haut) puis passe au dessus (4,5 et 6). En 7 il s'approche de l'horizon (event horizon en anglais) et puis la 8 à l'intérieur du TN.
 
 
 
Ensuite JPL nous présente une superbe animation du passage d'un trou noir devant le centre de notre Galaxie et une autre devant les nuages de Magellan, impossible à reproduire ici.
 
 
 
 
Puis Jean Pierre Luminet introduit la notion de trou noir de Schwarzschild qui mène à l'invention des…trous blancs.
 
 
 
 
 
 
Y aurait-t-il une symétrie au trou noir? Les équations de la RG l'implique, ce serait alors un "trou blanc" ou une fontaine blanche.
La Science Fiction nous a déjà fait voyager entre ces TN/TB grâce à ces trous de ver (wormholes) sortes de raccourcis de l'espace-temps. Mais existent ils?
On peut en tous cas les simuler mathématiquement.
 
On peut simuler le voyage d'exploration d'un trou noir sphérique, correspondant au déplacement sur le graphique suivant (pour plus de détails voir le chapitre 13 du livre de JPL).
 
 
 
L'horizon des événements est représenté par les deux axes du plan, l'espace temps(ET) à l'extérieur de l'horizon est en bleu. Il est décomposé en 2 univers : le notre et un autre. Les rayons lumineux voyagent le long des droites à 45°et les observateurs le long des hyperboles vertes. A,B,C,D,E est la trajectoire de notre vaisseau spatial qui atteint la singularité en D, dont on ne peut recevoir le signal qu'au bout d'un temps infini.
L'image du haut représente la vue en C avant le passage de l'horizon. Les signaux de E sont à jamais perdus dans le TN c'est l'image du bas. Par contre un rayon émis en F peut émerger dans l'univers du trou blanc. De même un rayon émis en G peut être vu de E; mais il est impossible de passer de notre univers à l'autre, on est écrasé par la singularité.
 
 
L'autre Univers est visible mais interdit à la pénétration à cause de la singularité, le trou de ver se bouche!
 
 
Enfin une animation exceptionnelle d'Alain Riazuelo de l'IAP montrant ce voyage nous est présentée.
 
Donc pour le moment pour voir de l'autre côté, il ne nous reste que "Stargate" ou "Star Trek"!
 
 
 
 
LES OBSERVATIONS DES TROUS NOIRS.
 
Les mini trous noirs.
 
On pense qu'il s'en est formé au début de l'Univers.
Pas d'observation à ce jour.
On essaie d'en créer en laboratoire : dans le LHC (Large Hadron Collider) en construction.
 
 
Les trous noirs stellaires.
 
De masses comprises entre 3Ms et 100Ms; ils vivent en couple.
 
 
Il y a transfert de matière, création d'un disque d'accrétion et émission de gamma.
 
C'est comme cela qu'on les détecte.
 
Par exemple dans les sources X binaires de grande masse (HMXB) et de faible masse (LMXB).
 
 
Quelques TN remarquables dans le tableau ci contre.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Les trous noirs intermédiaires.
 
Entre 300Ms et 10.000Ms.
Situés dans les amas globulaires.
On pense les avoir mis en évidence dans M15 et G1/M31 et au cœur de NGC 6093.
 
 
 
Les trous noirs géants.
 
De masse de l'ordre du million de masses solaires.
Le plus connu (et le plus proche) celui au centre de notre Galaxie, il fait plus de 2 millions de masses solaires.
 
 
Il se nomme Sagittaire A.
 
Ces trous noirs massifs correspondent aussi à des quasars ou radiogalaxies.
 
Tableau de trous noirs super massifs caractéristiques.
Un des plus lourds : M87.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ET LE DESTIN DE L'UNIVERS AVEC TOUT CELA?
 
 
Les modèles de Big Bang proposent différentes solution en fonction de la courbure de l'Univers.
 
Dans ce diagramme, on a en abscisse le temps et en ordonnée une quantité proportionnelle à la distance entre deux points éloignés dont on mesure la distance au cours du temps.
 
Il existe différents modèles : "fermé" c'est la courbe 1; il conduit au Big Crunch; "ouvert", c'est la courbe 2 d'expansion infinie; le Big Rip, l'espace se déchire; et le modèle  à expansion accélérée, la courbe 3.
 
Pour savoir sur quelle branche de ces modèles nous serions il faut calculer la densité de l'Univers.
 
À priori on se trouverait sur la courbe 3.
 
 
Nous sommes dans un Univers à expansion accélérée (au moins depuis 7 milliards d'années), il existe une énergie anti-gravitationnelle (énergie noire ou sombre!) qui s'oppose à la gravitation à grande distance.
 
 
Quel futur pour l'Univers?
 
Le futur dépend de la variation de l'énergie sombre.
 
Fin du voyage, on peut même se poser des questions sacrilèges comme des Univers qui auraient existés avant le Big Bang, mais c'est une autre histoire…..
 
 
Merci JP Luminet pour ce voyage au royaume des trous noirs.
 
 
 
 
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN.
 
 
Article de fond sur les TN par Thierry Lombry.
Voyage au centre d'un trou de ver par Th Lombry avec animations.
 
L'évaporation des trous noirs par Techno Science.
 
The mystery of black holes par JP Luminet, 33 pages pdf en anglais. (allergiques aux maths s'abstenir!). superbe!
 
Très intéressant site sur les rides de l'espace temps avec un long chapitre sur les TN et animations (en anglais mais facile).
 
Les trous noirs interview de JA Marck.
 
À l'intérieur d'un trou noir par notre ami Norbert Rumiano : un must à lire.
 
 
Plongeon dans un trou noir par JPL et JA Marck (article de Scientific American en français).
 
Détection des TN, un TPE bien fait ern français.
 
Le trou noir central de notre Galaxie par le Dapnia et par l'Observatoire de Paris.
 
Les trous noirs géants conférence de S Collin à la SAF, compte rendu sur ce site.
 
 
Comptes rendus des conférences de JPL sur ce site :
L'histoire du Big Bang par JP Luminet le 10 Novembre 2004    SAF/Amphithéâtre
La forme de l'Espace par JP Luminet LUTH  le 10 Juin 2005 à l'IAP
 
 
 
Les archives de cosmologie sur votre site préféré.
 
 
 
 
 
 
 
 
C'est tout pour aujourd'hui!
 
 
Bon ciel à tous
 
 
Jean Pierre Martin   www.planetastronomy.com
 
 
Voir les autres compte rendu de conférences des RCE  : ICI.