Les trous noirs :

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Les trous noirs :

de l’idée théorique aux observations actuelles...

et au-delà...

Loïc Villain

Institut Denis Poisson (IDP), Université de Tours loic@lmpt.univ-tours.fr

Image : Jean-Alain Marck, Paris-Meudon Observatory, 1992

Loïc Villain (IDP) Les trous noirs Juin 2019 1 / 68

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I nom accrocheur (inventé vers1967)

I vedettes de laSF

I effrayants et captivants:aspirateursde l’Univers ? le Soleil peut-il devenir un trou noir ? que se passe-t-il si on tombe dedans ?

Objets astrophysiques « ordinaires »

I inévitable destin desétoiles les plus massives

I présents aucœur des galaxies

I observés:indirectementdepuis quelques décennies,directementdepuis peu

Laboratoires pour la physique théorique

I les comprendre implique maîtriser quasiment tous les domaines de la physique et en particulier lanature de l’espace-temps

I au cœur de laphysique des hautes énergiesmoderne

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Êtres mythologiques

I vedettes de laSF

Objets astrophysiques « ordinaires »

Laboratoires pour la physique théorique

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I vedettes de laSF

Objets astrophysiques « ordinaires »

Laboratoires pour la physique théorique

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Êtres mythologiques

I vedettes de laSF

Objets astrophysiques « ordinaires »

Laboratoires pour la physique théorique

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I vedettes de laSF

Objets astrophysiques « ordinaires »

Laboratoires pour la physique théorique

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Êtres mythologiques

I vedettes de laSF

Objets astrophysiques « ordinaires »

Laboratoires pour la physique théorique

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I vedettes de laSF

Objets astrophysiques « ordinaires »

Laboratoires pour la physique théorique

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Êtres mythologiques

I vedettes de laSF

Objets astrophysiques « ordinaires »

Laboratoires pour la physique théorique

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I cadavres :restesd’étoilesmassives

• étoile progénitrice : masse au moins égale à10 masses solaires (M)

• résidu central d’unesupernova gravitationnelle

I exotique :propriétés extrêmesparfoisexagérées(trous noirs6=aspirateurs cosmiques)

I inclus dans la catégorie desobjets astrophysiques compacts:

• rapport masse/tailleélevé (6=masse volumiqueoudensité)

• relativité généralejoue un rôle-clef dans leurs propriétés

La nébuleuse du Crabe: en radio (VLA),

en infrarouge (Spitzer), dans le visible (Hubble), en ultraviolet (XMM-Newton) et en X (Chandra).

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Les trous noirs : des cadavres stellaires exotiques

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Les trous noirs : des cadavres stellaires exotiques

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Les trous noirs : des cadavres stellaires exotiques

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Outline

Prélude : lumière et gravitation

La découverte des objets astrophysiques compacts Évolution stellaire et naissance d’objets compacts Trous noirs

Conclusion

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I : lumière et gravitation

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Newton (1642 – 1727) et la dynamique : les Principia

Père de ladynamique (étude descauses du changementdans le mouvement des corps), nombreuses contributions importantes à divers domaines, premier physicien moderne=⇒ étudie le mouvement de corpuscules

Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (1686): [1]Principe d’inertie: tout corps reste au

repos ou bouge àvitesse constantele long d’une trajectoire rectiligne, à moins

qu’uneforcen’agisse sur lui.

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Newton (1642 – 1727) et la dynamique : les Principia

Père de ladynamique (étude descauses du changementdans le mouvement des corps), nombreuses contributions importantes à divers domaines, premier physicien moderne=⇒ étudie le mouvement de corpuscules

Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (1686): [1]Principe d’inertie: tout corps reste au

repos ou bouge àvitesse constantele long d’une trajectoire rectiligne, à moins

qu’uneforcen’agisse sur lui.

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Principe fondamental de la dynamique

Lois de la dynamique: [2]Force=masse×accélération

La mêmeforceexercée peut résulter en desaccélérationstrès différentes selon

lamasse

[3]Principe d’action/réaction

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Gravitation universelle (1687)

Principia

I existence d’uneforce gravitationnelle universelleentremasses

I même actionde la Terre sur une pommeou sur la Lune

Gravitation avant Newton

I séparationde nature entre mondes sublunaireetcéleste

I lois de Kepler: descriptionglobaledu mouvement des planètes

Tests et conséquences

I explications: lois de Kepler, phénomène des marées, etc.

I prédictions: forme de la Terre, retour de la comète de Halley, Neptune, etc.

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Newton et l’optique

1669: lumière blanche composée =⇒ notion despectre

I 1704: modélisation corpusculaire

I couleur différente↔particules devitessedifférente

I réfraction due à une «force réfringente» qui agit près de la surface

modèle(s) de Newton de l’optique : la lumière se comporte « comme » les objets matériels, maisvitesse élevée

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Newton et l’optique

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Newton et l’optique

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Newton et l’optique

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Déviation et ralentissement de la lumière

I 1783, Michell:action de la gravitationsur les corpuscules lumineux

→ralentissementde la lumière émise

I 1801, von Soldner: déviation gravitationnelle de la lumière

I les rayons lumineux proches du Soleil sont "réfractés"

I effet faible, observable pour des étoiles

visuellement proches du Soleil→sans intérêt?

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Déviation et ralentissement de la lumière

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Déviation et ralentissement de la lumière

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Déviation et ralentissement de la lumière

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Déviation et ralentissement de la lumière

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Vitesse de libération et astres occlus

vlib =

r2G M R

vlib %si la masse de l’étoile (M)%, ou si son rayon (R)&

I 1783, Michell:∃ étoiles telles que vlib > c?

→invisibles, mais effet

gravitationnel observablesi présence d’objets lumineux voisins

I possibilité : même densité que le Soleil, mais diamètre 500 fois plus grand (Michell, 1783)

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Vitesse de libération et astres occlus

vlib =

r2G M R

vlib %si la masse de l’étoile (M)%, ou si son rayon (R)&

I 1783, Michell:∃ étoiles telles que vlib > c?

→invisibles, mais effet

gravitationnel observablesi présence d’objets lumineux voisins

I possibilité : même densité que le Soleil, mais diamètre 500 fois plus grand (Michell, 1783)

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Optique ondulatoire

I 1678-1690, Huygens:modèle ondulatoire de la lumière(inspiré par les ondes sonores)

→lumière=vibration d’un éther lumineux

I difficulté à s’imposer face à lathéorie de Newton

I mais, plus tard,succès majeurs: Young (1801), Fresnel (1818)

→explication desinterférenceset de ladiffraction

=⇒ conséquences de l’optique corpusculaire quasiment oubliées

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Optique ondulatoire

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Optique ondulatoire

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Optique ondulatoire

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Optique ondulatoire

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Optique ondulatoire

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Électromagnétisme et vitesse de la lumière

I 1864, Maxwell: théorie de l’électromagnétisme

=⇒ ondes lumineuses=type particulier d’ondes électromagnétiques

I vitesse de la lumière: valeur fixe par rapport à l’éther,c= 1/√

₀µ₀, doit dépendre du référentiel(cf.vagues vues depuis un navire)

I 1887, Michelson & Morley: invariance expérimentale dec...

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Électromagnétisme et vitesse de la lumière

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Électromagnétisme et vitesse de la lumière

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Électromagnétisme et relativité restreinte

I Lorentz, Poincaré (etc.): besoin demodifier la théorie de Maxwell

→contraction des longueurs, dilatation temporelle, etc.

I 1905, Einstein: besoin demodifier la mécanique de Newton

→temps et espace sont relatifs,

→cest unevitesse limite absolue,

→lamasse est l’une des formes de l’énergie(E=mc²), etc.

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Électromagnétisme et relativité restreinte

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Électromagnétisme et relativité restreinte

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Électromagnétisme et relativité restreinte

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Électromagnétisme et relativité restreinte

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Conséquences directes du principe de relativité (1905)

Contraction des longueurs symétriquescarmouvement relatif

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Vérifications expérimentales

I dilatation temporelle:collisionneurs de particules(CERN, etc.), rayons cosmiques, etc.

I horloges atomiques (avions autour de la Terre):paradoxe des jumeauxde Langevin (pas de symétrie car accélération pour demi-tour).

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Relativité restreinte et espace-temps [Minkowski (1908)]

I relativité restreinte=théorie géométrique de l’espace-temps(4 dimensions) ;

I points=événements(quelque part à un instant donné) ;

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Relativité restreinte et espace-temps [Minkowski (1908)]

I relativité restreinte=théorie géométrique de l’espace-temps(4 dimensions) ;

I points=événements(quelque part à un instant donné) ;

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Espace et espace-temps

I présent=tranche (tridimensionnelle) de l’espace-temps (=ensemble d’événements simultanés, pas un point d’une ligne) ;

I temps=arrangement ordonnépartieldes événements.

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Espace et espace-temps

I présent=tranche (tridimensionnelle) de l’espace-temps (=ensemble d’événements simultanés, pas un point d’une ligne) ;

I temps=arrangement ordonnépartieldes événements.

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Relativité du temps et de l’espace

I relativité de la simultanéité↔relativité du découpage en tranches spatiales (=en moments présents);

I contraction et dilatationde Lorentz≡perspective spatio-temporelle;

I « vitesse de la lumière »=« constante géométrique »→vitesse maximale pour l’information etvitesse de toute particule sans masse(pas uniquement la lumière).

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Relativité du temps et de l’espace

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Relativité du temps et de l’espace

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Gravitation relativiste (Einstein, 1907-1915)

I besoin de modifier la gravitation de Newton pourpropagation à vitesse≤c

I idées:

I gravitation6=force comme les autres (universalité de la chute libre)

I universalité≡propriété de l’espace-tempslui-même ?

I gravitation∼courburede l’espace-temps par la matière et l’énergie

I champ gravitationnel↔espace-temps lui-même (∼milieuélastique)

I orbites des planètes="lignes droites" (géodésiques) dans un espace-temps courbe

I équations de larelativité générale (RG)publiées en 1915

I prédiction de ladéviation de la lumière;observée par Eddington en 1919

exemples d’orbites dans un espace courbebidimensionnel

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Gravitation relativiste (Einstein, 1907-1915)

I idées:

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Gravitation relativiste (Einstein, 1907-1915)

I idées:

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Gravitation relativiste (Einstein, 1907-1915)

I idées:

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Gravitation relativiste (Einstein, 1907-1915)

I idées:

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Gravitation relativiste (Einstein, 1907-1915)

I idées:

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Gravitation relativiste (Einstein, 1907-1915)

I idées:

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Gravitation relativiste (Einstein, 1907-1915)

I idées:

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Gravitation relativiste (Einstein, 1907-1915)

I idées:

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Courbure spatio-temporelle

courbure du temps: votre tête vieillit plus vite que vos pieds (crucial pour leGPS)

représentation tridimensionnelle de la courbure provoquée par la Terre

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Solution de Schwarzschild et singularités

I 1916, Schwarzschild:solutiondes équations d’Einstein (espace-temps associé à unemasse sphérique)

I pour unemasseM donnée, terme infini (=singularité) dans la solution si rayonR plus petit que le"rayon de Schwarzschild"

R_S = 2G M c²

I R_S = rayon pour lequelv_lib = c en physique newtonienne !

I longues discussions concernant lesens physiquedu phénomène et sa

"réalité"...

I semble d’abordirréaliste: R_S ≈ _M^M

×2950m→très différent du rayon des étoiles observées...

I exemple :rayon de Schwarzschild de la Terre=9 mm...

I véritablecompréhension dans les années 1960(meilleure maîtrise de la géométrie différentielle des variétés pseudo-riemanniennes)

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Solution de Schwarzschild et singularités

R_S = 2G M c²

"réalité"...

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Solution de Schwarzschild et singularités

R_S = 2G M c²

"réalité"...

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Solution de Schwarzschild et singularités

R_S = 2G M c²

"réalité"...

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Solution de Schwarzschild et singularités

R_S = 2G M c²

"réalité"...

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Solution de Schwarzschild et singularités

R_S = 2G M c²

"réalité"...

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Solution de Schwarzschild et singularités

R_S = 2G M c²

"réalité"...

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II : La découverte des objets astrophysiques

compacts

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La découverte des objets astrophysiques compacts

Premier pas : les systèmes binaires

I 1717, Halley: Sirius a une"trajectoire oscillante"

→pas compris dans un premier temps...

I 1783, Herschel: découverte d’unsystème (stellaire) binaire (40 Eridani : en fait, système triple !)

I environ50%des étoiles visibles à l’œil nudans des systèmes multiples ?

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Premier pas : les systèmes binaires

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Premier pas : les systèmes binaires

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Second pas : la reconnaissance des naines blanches

I 1844, Bessel: mouvement de Sirius A dû à uncompagnon invisible

I 1862: observation de Sirius B, étoile très peu lumineuse (naine blanche, NB)

I 1915: découverte de sa haute température(=forte émissivité) par analyse spectrale

→étoile très petite(∼taille de la Terre)

→masse volumique ∼1 tonne par centimètre cube(10⁶ fois la densité du Soleil !)

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Second pas : la reconnaissance des naines blanches

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Second pas : la reconnaissance des naines blanches

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Troisième pas : la compréhension des naines blanches

I 1924, Eddington: RG prédit undécalage spectral gravitationnelde la lumière émise par une NB (effet Einstein)

I 1925, Adams: effectivement observé

I 1926, Fowler: densité rendue possible grâce à la physique quantique et le principe d’exclusion de Pauli (1925)

=⇒ lapression quantique des électronsrésiste à la gravité

(a) bosons et (b) fermions à "basse" température

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Troisième pas : la compréhension des naines blanches

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Troisième pas : la compréhension des naines blanches

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Troisième pas : la compréhension des naines blanches

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Quatrième pas : supernovæ, pulsars, etc.

I 1932, Chadwick: découverte duneutron

I 1934, Yukawa: théorie desnoyaux atomiques et de leur structure

I 1934, Baade & Zwicky: lien entre supernovæ et "étoiles à neutrons" (EN)?

I 1939, Oppenheimer & Snyder:

simulations numériquesd’un effondrement stellaire

→apparition d’un "astre occlus"

I 1965observation de Cygnus X-1 (étoile+ source X)

I 1967, Bell & Hewish: découverte du premierpulsar(taille∼10 km)

→masse volumique ∼10⁸ tonne par cm³

astres occlus et ENsérieusement envisagés comme les résidus de l’effondrement d’étoiles massives→"âge d’or" des trous noirs (1960-70)

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Quatrième pas : supernovæ, pulsars, etc.

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Quatrième pas : supernovæ, pulsars, etc.

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Quatrième pas : supernovæ, pulsars, etc.

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Quatrième pas : supernovæ, pulsars, etc.

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Quatrième pas : supernovæ, pulsars, etc.

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Quatrième pas : supernovæ, pulsars, etc.

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III : Évolution stellaire et

naissance d’objets compacts

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Évolution stellaire et naissance d’objets compacts

Évolution stellaire et destin des étoiles

I étoiles≡réacteurs à fusion nucléaire

I petits noyaux (H)→noyaux plus gros (He)+énergie

=⇒ pression qui résiste à la gravité

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Fusion en couches

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Fusion dans une étoile du type solaire

stratificationselon la densité

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Fusion dans une étoile du type solaire

stratificationselon la densité

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Évolution d’une étoile de type solaire

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Nébuleuses planétaires vues par le télescope spatial Hubble

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Structure d’une naine blanche

pas de fusion nucléaire : pression quantique des électrons

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Structure d’une naine blanche

pas de fusion nucléaire : pression quantique des électrons

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Structure en oignon d’une étoile massive

I dans lesétoiles massives, noyaux de plus en plus lourdsproduits

I plus lourds vers lecœur(stratification, cf. eau et huile)

I le plus lourd de tous est lefer: noyauinerte(∼déchet nucléaire)

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Supernova

I pression quantique des électronsdans le cœur de fer résiste à la gravitation

I quand masse ducœur de fer& 1.4 masses solaires→effondrement (1930, Chandrasekhar:"masse de Chandrasekhar")

I cœur de fer s’effondreet couches externes suiventplus lentement→cœur sedurcit en raison d’interactions entre neutrons et protons→rebondalors que les couches externes chutent encore→chocetexpulsion des couches externes→supernova gravitationnelle

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Supernovæ et neutrinos (99 % de l’énergie émise)

pendant10 secondes:10²³fois la luminosité du Soleil (maisénergie électromagnétique∼1 % du total)

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