Le trou noir supermassif de la Voie Lacte

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Le trou noir supermassif de la Voie Lactée
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Plan de la présentation

• ?Introduction
• - Qest-ce quun trou noir?
• - Trou noir stellaire
• - Trou noir supermassif
• ?Historique
• ?Deux expériences
• La masse du trou noir supermassif
• La rotation du trou noir supermassif
• ?Le mystère des étoiles "S
• ?Futur

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Introduction
? Quest-ce quun trou noir?  Point de densité
infinie qui courbe lespace-temps de telle
manière à ce que rien ne puisse séchapper de son
champ gravitationnel. 

• Relativité Générale dEinstein
•  Tout corps ayant une masse déforme
  lespace-temps autour de lui 
• "Trou"

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• Noir Même la lumière nen réchappe pas !
• Horizon des événements ? limite de non-retour
• Rayon de Schwarzschild
• ? Un trou noir est invisible! ? Observations
  indirectes

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? Trou noir stellaire

• Provient de leffondrement dune étoile très
  massive
• Limite caractéristique
• ? trou noir
• Evolution vers le trou noir stellaire
• 1) Equilibre stellaire champ gravitationnel ?
  pression de radiation
• 2) Epuisement du carburant ? pression de
  radiation et gravité
• 3) Instabilité ? explosion en supernova
• 4) Contraction infinie du cur de létoile ?
  trou noir stellaire

Nébuleuse du crabe
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? Trou noir supermassif

• ? Se trouve au centre de la plupart des galaxies
• ? Masse millions milliards de fois la masse
  solaire
• ? Volume lt système solaire
• ? Rayonne comme plusieurs centaines de galaxies
• ? formation inconnue ? hypothèse
• ? Limite trou noir stellaire ? trou noir
  supermassif
• TN ? TNS pour M gt 1 million Msoleil
• Le plus connu
• ? Quasar - Objet très brillant au centre
  dune galaxie
• - Emet 10 billions de fois lénergie
  solaire par seconde
• - Source dénergie vient du trou noir
  supermassif qui le constitue

Vue dartiste dun quasar
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Historique

• 1783 John Michell invente le concept dun corps
  si massif que même le lumière ne pourrait sen
  échapper.
• 1915 Albert Einstein publie sa Relativité
  Générale.
• 1916 Karl Schwarzschild prédit lexistence des
  trous noirs à partir de la relativité
  générale dEinstein.
• 1967 Le terme  trou noir  est employé pour la
  première fois par John A. Wheeler.
• Le centre galactique est invisible en lumière
  visible ? il faut lobserver avec
• dautres types de rayonnements
• 1967 Martin Rees et Donald Lynden-Bell
  prédisent que sil existe un trou noir au
  centre de la Voie Lactée, il doit émettre dans le
  domaine radio.

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• 1974 Détection du rayonnement radio du centre
  galactique
• (Radio télescope Green Banck aux USA)
• ? source brillante et compacte!
• Robert Brown la baptise SgrA

Very Large Array (USA)
(4 x 4 2000 a.l.)
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• 2001 Le télescope spatial Chandra détecte pour
  la première fois un flash de rayonnements X
  proche de SgrA.
• Le flash a duré 2 heures avec un pic rapide de
  10 min.
• ? de la matière est absorbée
• ? objet compact de taille lt distance Terre -
  Soleil

SgrA
10 a-l
1,6 (12 a-l)
10

• ? 2001-02 Télescope au sol (VLT, Keck)
  observent les étoiles autour de SgrA
• ? rotation trop rapide !
• ? 150 fois plus de matière invisible que
• de visible dans la région de SgrA
• ? 2002 Létude dune étoile en particulier (S2)
• ? déduction de la masse de SgrA

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• 2002 (suite) Le télescope spatial Integral est
  mis en orbite
• ? observe le rayonnement gamma du centre
  galactique

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Deux expériences

• La masse de SgrA
• Idée Observer le mouvement détoiles à
  proximité de SgrA et en déduire la présence
  ainsi que la masse du supposé trou noir
  supermassif.
• Chercheurs Equipe internationale dirigée par
  Rainer Schödel et Reinhard Genzel
  travaillant à linstitut Max Planck pour la
  physique extraterrestre (MPE) à Garching
  en Allemagne
• ? Observation du mouvement de "S2" par imagerie
  infrarouge de grande précision.

R. Schödel
R. Genzel
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• Instrumentation
• En 2001, linstrument NACO fut installé sur Yepun
  (VLT de lESO)
• NACO est composé de 2 sous-systèmes
• - NAOS (Nasmyth Adaptative Optics System)

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• CONICA (COudé Near Infrared CAmera)
• Haute résolution angulaire 0.01 (dans
  linfrarouge proche)
• Le domaine de longueurs donde de rayonnements
  IR est entre 2500-830 nm
• La caméra CONICA est optimisée pour le domaine IR
  car le système
• doptique adaptative est limité à cette bande
  pour linstant.
• ---------------------------
• NACO donne des résultats 20 fois plus sensibles
• et 3 fois plus précis quauparavant.
• Il permet de différentier les étoiles qui
• nous paraissaient jusqualors ne faire quun !

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• Observations
• Printemps 2002 S2 est passée à moins de 17
  heures-lumière de SgrA
• (3 fois la distance Soleil-Pluton)
• ? Grâce à NACO, les images récoltées ont permis
  de voir très précisément la trajectoire de
  S2.
• Les astrophysiciens ont été témoin
• du passage de S2 à son péricentre.
• La synthèse des mesures (de 1992 à 2002)
• a donné lieu à un résultat incroyable
• S2 tourne autour de SgrA
• avec une orbite képlérienne !

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• Résultats de 1992-2002
• Mouvement propre de S2 ? Détermination
  de 2/3 dune orbite unique
• Mouvement dans la ligne de visée
• Données sur S2
• Masse 15 Msoleil
• Période 15,2 ans
• Demi-grand axe 5,5 jours-lumière
• Orbite képlerienne avec SgrA à un des deux
  foyers
• Vitesse au péricentre 5 000 km/s ( 200 fois
  v(Terre) 25 km/s)
• Vitesse à lapocentre 8 fois plus faible 625
  km/s
• Distance au péricentre 17 heures-lumière! (124
  UA)
• et celle à lapocentre 10 jours-lumières

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• Analyse des résultats
• Trajectoire de S2 ? déduction de la masse de
  SgrA
• 3ème loi de Kepler
• ?
• Avec P années a UA M Msoleil

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• Application
• masse de SgrA
• masse de S2
• ?
• Véritables résultats - M (3.7 ? 1.5) millions
  de Msoleil
• - Dans un volume délimité par lorbite de S2
  (17 h-l)
• Avantages de la méthode orbitale
• - Déduction de la masse à partir dune
  unique trajectoire
• - Nécessite peu dhypothèses ? évite les
  effets systématiques
• - Très simple !

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• Suppositions sur la nature de SgrA
• M (trouvée) M (étoiles) M (gaz) ? masse
  ponctuelle de (2,6 ? 0.2) Msoleil
• dans volume Rs 26 sec-lumière
• Hypothèses
• Amas détoiles à neutrons / trous noirs
  stellaires fortement improbable
• Boule de fermions lourds (neutrinos, gravitons,)
  ? P(S2) 37 ans
• ? incompatible avec les résultats
• Etoile de bosons possible mais improbable
• Trou noir supermassif reconnue comme étant la
  plus probable !

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• Distribution de masse potentiel dune masse
  ponctuelle

Distribution de masse dans le centre galactique
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La rotation de SgrA

• Découverte le 9 mai 2003 Léquipe de Genzel et
  Schödel est témoin de
  puissants flashs infrarouges à proximité de
  SgrA.
• Première fois quon voit lagonie de matière
  tombant dans un trou noir
• Instruments NACO en 3 bandes H (1,65 µm), Ks
  (2,16 µm), L (3,76 µm)

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• Observation
• ? 9 mai 2003 à 6h59min24s 1er flash en IR
  (bande H) à quelques mas (h-l)
  du trou noir supermassif
• - Intensité a augmenté dun facteur 6
• - Durée de 30 minutes
• ? 15-16 Juin 2003 2 autres flashs sont détectés
  (bande Ks)
• - Intensité a augmenté dun facteur 3
• - Durée de 80-85 minutes
• ? Périodicité de 16,8 ? 2 minutes !
• ? Un 4ème flash est retrouvé dans les archives de
  NACO le 30 Août 2002 (bande L)
• - Intensité a augmenté de 70

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Courbes de lumière des différents flashs IR
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• Analyse des données
• ? Processus théorique 1) Matière capturée
  par le trou noir
• 2) Elle tourne de plus en plus
  vite
• 3) Elle séchauffe et rayonne dans
  lIR.
• ? Flashs proviennent de la zone daccrétion à
  moins de 10 Rs ( 5 min-lum.) de SgrA.
• ? juste après la dernière orbite stable
• ? Période de 17 minutes peut être identifiée à la
  fréquence orbitale fondamentale du trou noir.
• trou noir statique 27 min SgrA 17 min
• ? Le trou noir a un spin !
• Conclusion des expériences
• Trou noir est caractérisé par 3 paramètres sa
  masse, son spin et sa charge.
• ? 2 sur 3 sont connus !

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Le mystère des étoiles S

• Étoiles S Amas des 17 étoiles les plus
  proches de SgrA(10-100 UA)
• M 30-100 masses solaires
• Mesures de Keck VLT ? étoiles S sont
  brillantes et jeunes
• moins de 10 millions dannées !
• Rappel
• ? étoiles massives brûle rapidement
  leur carburant.
• ? Problème Etoiles trop jeunes pour flirter
  avec un trou noir !

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• Différentes hypothèses
• Elles se sont formées près du trou noir
  supermassif.
• ? Impossible champ de gravitation est tel
  quil déchire les nuages proto-stellaires
  (pour y résister densité de 100 000
  milliards de part/cm3 !)
• Elles ont migré.
• ? Impossible ? voyage en moins de 10
  millions dannées
• Mais frottements qui produit
  la chute de létoile empêche
  excès de vitesse!
• ? Possible pour un groupe (temps de parcours a
  1/M)
• ? Les amas suffisaments massifs peuvent voyager
  en temps voulus.
• ? Personne nen a vu (au moins 100 000 Msoleil)
• ? On en observe que 17 !

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• Elles ont été catapultées destabilisées ?
  capturées sur orbite stable
• ? Accepte les orbites stellaires orientées
  aléatoirement
• ? Explique la prédominance détoiles massives
  (plus facilement capturées)
• ? Nécessite une grande concentration de trous
  noirs stellaires
• Elles se font passer pour des jeunes.
• Déjà vu Dans amas globulaires 2 vieilles
  étoiles rouges ? une étoile bleue
• ? Il faudrait plusieurs fusions successives
• ? Plusieurs fusions ? rotation rapide ?
  observations

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• ? Géantes rouges à proximité dun trou noir ?
  enveloppe arrachée ? teint juvénile (bleu)
• ? ? Temps de vie surestimé. Si elles
  existaient,elles ne vivraient que quelques
  milliers dannées. Or, leur présence date
  certainement de plus de 100 000 ans .
• ? Conclusion
• Aucune explication satisfaisante.
• ? Le mystère reste intact !

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Futur

• Pour la méthode orbitale
• But Observer davantage daccélérations et
  dorbites détoiles proche de SgrA
  (invisibles pour linstant)
• Interferomètre Large Binocular Telescop, VLT,
  Keck ? résolution de quelques milli
  arcs-seconde !
• ? Permettront dobserver les étoiles entre 10
  et 100 Rs (dizaine dh-l)
• ? Pour la théorie
• Comprendre la formation des trou noirs -
  quand ?
• - comment ?
• - pourquoi ?

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• Pour le radio
• VLBA (Very Large Baseline Array)
• ? images radio du centre galactique, de
  lombre du trou noir

Largeur virtuelle diamètre terrestre!
ombre
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• Pour le flashs IR et X
• - Simultanéité (ou non) des flashs IR et X
• - Démonstration directe de lexistence de
  lhorizon
• Conclusion
• Les trous noirs ont un avenir brillant !