Mise à jour 25 Février 2018

CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF
 «LES FORMES DE L’ESPACE : DU TROU NOIR AU MULTIVERS»

Par Jean Pierre LUMINET

Dr de rech. CNRS, astrophysicien LUTh, Laboratoire d'Astrophysique de Marseille

À TelecomParisTech 46 rue Barrault Paris 13.

Le Vendredi 16 Février 2018 à 19H00  Amphi Thévenin

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 et des animations.

Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation, elle est disponible sur ma liaison ftp et se nomme :

JPL-Forme-espace-SAF2018.pdf, qui se trouve dans le dossier CONF-MENSUELLES-SAF/ saison 2017-2018. . 

Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.

Cette conférence a été filmée en vidéo (grâce à UNICNAM et IDF TV) et est accessible sur Internet

On la trouve à cette adresse   https://www.youtube.com/playlist?list=PLM_NLeMfZ9TqyFC5d5nefFI78AfSWSI9X

Nous avions beaucoup de chance cette fois-ci, car notre amie Laurence Honnorat de Innovaxion a aussi filmé une vidéo de cette présentation, merci à elle, là voici aussi : https://www.youtube.com/watch?v=X8MK6wDbHNY&feature=youtu.be

La réservation pour cette conférence de JP Luminet a été pour moi un gros problème. La notoriété de notre intervenant étant si grande que la salle a réservée en moins de trois heures. Pendant les semaines qui ont suivi, j’ai dû gérer les mécontents (plus de 1000 demandes !) en répondant personnellement à toutes les demandes et récriminations. Suite à cela, Jean Pierre Luminet m’a promis de faire une séance de « rattrapage » la saison prochaine. Encore désolé pour ceux qui n’ont pas pu assister. Heureusement que l’on transmettait aussi sur YouTube en direct ; j’ai su que de nombreuses personnes s’étaient banchées ce soir-là sur la chaine.

Mais malgré la limitation des réservations, de nombreuses personnes s’étaient présentées (à la fois liste d’attente officielle et autres…) si bien qu’un joyeux cafouillage se produisit à l’approche du début de la conférence et Danielle eut beaucoup de mal à y mettre de l’ordre.

Bref on a réussi à faire rentrer tout le monde, même certains resquilleurs.

Jean Pierre Luminet, célèbre astrophysicien et aussi poète et musicien, a longtemps été en poste à l’Observatoire de Paris Meudon au département du LUTh : Laboratoire Univers et Théories.

Son blog sur Internet.

Il est depuis quelques années retourné dans son Sud bien-aimé au LAM, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille.

Il nous entretient ce soir d’un sujet passionnant.

Quelle est donc la forme de notre Univers ?

Ouvert, fermé ? Fini, infini ?

Voilà ce qu’il en dit en introduction :

« La description de la forme de notre espace physique à diverses échelles de grandeur (en taille ou en énergie) met en jeu une riche variété de modèles géométriques, chacun dépendant de la théorie physique sous-jacente.

La visualisation des distorsions spatio-temporelles engendrées par les champs gravitationnels et quantiques est l’un des grands défis de la physique fondamentale du XXIe siècle.

Je discuterai des représentations décrivant la forme de l’espace engendrée par les trous noirs, puis la forme globale de notre univers dans le cadre de la topologie cosmique, pour finir avec quelques indications sur les structures possibles de l’espace-temps à l’échelle quantique. »

JPL met sa présentation très claire, à disposition, aussi mes commentaires vont être très courts.

Avant de démarrer il faut définir le mot topologie, la topologie est la branche de la géométrie qui classifie les espaces en fonction de leur forme globale. Par définition, les espaces d'une même classe peuvent se déduire les uns des autres par déformation continue, sans découpage ni déchirure. Dans le cas des espaces à deux dimensions, c'est à dire des surfaces, la sphère, par exemple, a la même topologie que n'importe quelle surface fermée ovoïde.

Mais le plan est de topologie différente, puisque aucune déformation continue ne lui donnera la forme d'une sphère.

Les trois formes possibles de l’Univers  (de haut en bas) :

Courbure spatiale positive (sphère par ex, somme des angles d’un triangle >180°) ;

Courbure négative (selle de cheval par ex somme des angles d’un triangle <180°) et

Espace plat (euclidien, somme des angles d’un triangle = 180°).

À priori avec nos connaissances actuelles nous serions dans un espace presque plat. (Incertitude, de quel côté, > ou < ??).

·         la topologie cosmique, finie ou infinie

·         la relativité générale et la cosmologie avec courbure de l'espace faible et forte

·         la mécanique classique et la relativité restreinte avec courbure nulle

·         la gravitation quantique et la théorie de l'Unification, la courbure subit des fluctuations.

Ne pas oublier aussi que la gravitation courbe l’espace, et plus la gravité est forte (à l’approche d’un trou noir) plus l’espace se courbe.

Une des grandes avancées du XXème siècle a été l'équation des champs d'Einstein qui relie la géométrie (tenseur G qui représente la courbure de l'espace) à la matière (tenseur T).

Étant donnée la vitesse finie de la lumière, celle-ci décrit un cône dans l'espace-temps : le cône de lumière.

Le cône de lumière crée la distinction entre passé et futur.

Le point central de départ, c'est le présent.

Tout ce qui est à l'extérieur du cône est hors de portée de l'observateur, à l'intérieur, ce qui se déplace moins vite que la lumière est dans le cône, le cône lui-même correspondant à la vitesse limite (=c).

Le cône de lumière est modifié par la gravité.

Un trou noir est une région de l’espace-temps d’où les photons ne peuvent sortir.

Illustration : diagramme de l’espace-temps montrant la formation d’un TN par effondrement d’une étoile.

Des photons qui réussissent à s’échapper; en rouge ceux qui ne peuvent pas s’échapper et qui restent à l’intérieur de l’horizon des évènements.

À l’intérieur du cylindre gris : vide.

Le trou noir distord la forme de l’espace :

·         Autour

·         Derrière

·         À l’intérieur

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 et 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.

Commentaire de notre ami Olivier Laurent sur ce dernier assemblage d’images :

On peut voir une modélisation d'un disque d'accrétion tournant autour d'un trou noir de Schwarzschild (sans rotation) qui montre plusieurs aspects intéressants.

Le disque d'accrétion devant être plus chaud près du trou noir par effet de friction, sa luminosité doit donc augmenter en s'approchant du trou noir.

Le disque ne semble pas plat à cause des déformations des trajectoires des rayons lumineux qui suivent des géodésiques dans un espace-temps courbé par la masse de trou noir. On peut ainsi voir en même temps l'image du dessus et du dessous du disque d'accrétion normalement caché par le trou noir qui parvient à l'observateur.

La luminosité du disque d'accrétion est également très différente de sa luminosité intrinsèque.

La partie du disque s'approchant de l'observateur va apparaître plus lumineuse et présentera également des longueurs d'ondes plus courtes (blueshift) à cause de l'effet Doppler responsable de ces deux effets. Et inversement, la partie du disque s'éloignant de l'observateur aura une luminosité plus faible avec un spectre décalé vers le rouge (redshift).

Le phénomène de dilatation du temps par la gravité (nommé aussi effet Einstein ou redshift gravitationnel) est également présent près du bord interne du disque où l'on peut voir que le disque s'assombri à cause de la diminution d'intensité et de fréquence des rayons lumineux provenant des régions proches de l'horizon du trou noir (mais toujours à l'extérieur de l'horizon du trou noir).

Le disque d'accrétion ne touche pas l'horizon du trou noir, mais des effets de mirages gravitationnels du disque d'ordres multiples sont visibles très près de l'horizon.

Signalons que ces simulations ont été en grande partie utilisées dans le film Interstellar.

Ensuite JPL nous parle de notre propre trou noir galactique, Sagittarius A*, situé à 30.000 al de nous et d’une masse équivalente à 3 à 4 millions de masses solaires.

Le challenge actuel est d’essayer de « voir » ce trou noir, ou plutôt son disque d’accrétion.

Ce sera le but ultime d’un télescope planétaire le EHT (Event Horizon Telescope) associant de multiples radio télescopes situés sur toute la planète.

JP Luminet nous montre ensuite l’effet du passage d’un trou noir devant notre Galaxie à l’aide de diverses animations préparées par Alain Riazuelo.

Pour faire sa simulation Alain Riazuelo est parti d'une photo du ciel provenant de l'étude 2Mass en IR, la plupart des étoiles hors de notre galaxie sont absentes, on remarque surtout les nuages de Magellan.

À cette image il a rajouté un catalogue d'étoiles connues (Henry Draper ou HD).

Exemple de vision qu'on aurait de notre voie lactée en se dirigeant vers un TN.

Toute étoile a une image secondaire par rapport au Trou Noir.

Une animation sur les micro lentilles gravitationnelles (gif de 12MB), un TN passe devant la voie lactée, que voit-on?

Et sur YouTube.

Voyage à l’intérieur d’un trou noir.

Superbe animation que je ne retrouve pas sur le Net.

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.

Notion introduite par J Wheeler en 1967.

Mais existent-ils?

On peut en tous cas les simuler mathématiquement.

LA COSMOLOGIE RELATIVISTE.

Où on parle de modèle standard et de futur de l’Univers.

Pour arriver à la question : quelle est la taille et la forme de l’espace.

Notre vue étant d'ailleurs limitée par l'horizon cosmologique. Cette limite, similaire à l'horizon du marin en mer, provient du fait que la vitesse de la lumière est finie et que donc certaines étoiles ont émis de la lumière qui NE NOUS A PAS ENCORE ATTEINT.

Donc notre vue de cet univers observable, est limitée à l’âge de l'Univers, approximativement 13 milliards d’al, c'est l'horizon cosmologique.

Ce n'est pas l'horizon réel de l'univers observable qui est PLUS GRAND, en effet l'Univers a continué de s'étendre pendant le temps que la lumière met à nous parvenir, cet univers réel est évalué à 50 milliards d'al.

Il y a trois cas de figure :

Hypothèse 1 : l'univers est infini : c'est le modèle préféré des astronomes, mais problème : comment peut-on prouver que quelque chose est infini, c'est donc un modèle non testable ce qui gêne les physiciens.

Hypothèse 2 : univers fini et sans bord, mais qui serait plus grand que l'univers observable, c'est testable

Hypothèse 3 : univers fini sans bord et plus petit que l'univers observable, c'est sur ce sujet particulier que travaille Jean Pierre Luminet et son équipe. Dans cette hypothèse, ce que l'on voit dans le ciel, ne serait qu'un mirage, l'univers nous donne l'illusion qu'il est plus grand qu'il n'est en réalité.

Je laisse la parole de nouveau à Olivier :

La relativité générale est une théorie locale permettant de relier localement la densité d'énergie et la courbe locale de l'espace-temps mais elle ne permet pas de décrit la forme globale de l'Univers.

Deux techniques sont actuellement utilisées pour tenter de trouver une structure topologique dans notre Univers observable.

La première technique nommée cristallographie cosmique est basée sur les structures de l'Univers à grande échelle (répartition des amas de galaxies) et la seconde technique utilise l'analyse statistique des anisotropies du fonds diffus cosmologique émis 380 000 années après le big-bang.

Il faut rechercher ces mirages cosmiques en cherchant dans les cartes de WMAP et de Planck, des cercles corrélés (matched circles en anglais) qui représentent des endroits mirages mais bien entendu on ne peut pas chercher des images identiques, car ces mirages ne correspondent pas forcément à la même époque et à la même vue d'un coin du ciel (c'est comme chercher une personne en regardant des photos à différents âges et de différentes positions, même de dos).

On recherche depuis des décennies à unifier RG et MQ, mais jusqu’à présent sans grand succès.

Il y a bien quelques pistes : la théorie des cordes ou la gravité quantique à boucles ou…..

Et on en arrive dans certaines théories à parler d’un….avant Big Bang !

Bref encore un beau défi pour ce siècle.

Merci à JPL pour cette éblouissante présentation.

Quelques ouvrages de JP Luminet sur le sujet :

L’invention du Big Bang chez Points

Le destin de l’Univers chez Fayard.

L’univers chiffonné chez Folio

De l’infini avec MLR chez Dunod.

Après sa conférence JPL s’est plié à l’exercice des dédicaces au plus grand plaisir du public.

POUR ALLER PLUS LOIN :

La Physique Étrange d’Interstellar (1/6) et les suivantes. Par JPL

Cosmic Topology : Twenty Years After par JP Luminet.

L’Espace Dodécaédrique de Poincaré conforté pour expliquer la forme de l’univers par l’Obs de Paris

Trous noirs et énergie sombre CR de la conf RCE de JP Luminet

Voyage autour et à l’intérieur d’un TN CR conf SAF (cosmologie) d’Alain Riazuelo.

De l'infini, ciel, nombre matière et temps : CR de la conf. SAF de JP Luminet le 13 Janv 2010

Le destin de l'Univers : CR de la conférence de JP Luminet à la SAF le 7 Février 2007

Prochaine conférence mensuelle de la SAF : Vendredi 16 Mars 2018  19H00

CONFÉRENCE D’ALAIN DORESSOUNDIRAM 

 Astronome Observatoire de Paris sur 

« À LA RECHERCHE DE LA PLANÈTE IX»

COMPLET

Entrée libre mais réservation obligatoire. (Vigipirate) À partir du 13 Janvier 2018 09H00 

Bon ciel à tous

Jean Pierre Martin   Président de la commission de cosmologie de la SAF

www.planetastronomy.com

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