Le trou noir supermassif de la Voie Lactée

1. Le trou noir supermassif de la Voie Lactée

2. Plan de la présentation ●Introduction: - Q’est-ce qu’un 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

3. Introduction ● Qu’est-ce qu’un trou noir? « Point de densité infinie qui courbe l’espace-temps de telle manière à ce que rien ne puisse s’échapper de son champ gravitationnel. » • Relativité Générale d’Einstein : « Tout corps ayant une masse déforme l’espace-temps autour de lui » • "Trou"

4. “ Noir “ : Même la lumière n’en réchappe pas ! • Horizon des événements ↔ limite de non-retour Rayon de Schwarzschild:  Un trou noir est invisible!  Observations indirectes

5. ●Trou noir stellaire: Provient de l’effondrement d’une 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 cœur de l’étoile  trou noir stellaire Nébuleuse du crabe

6. ●Trou noir supermassif: ◦ Se trouve au centre de la plupart des galaxies ◦ Masse = millions – milliards de fois la masse solaire ◦ Volume < système solaire ◦ Rayonne comme plusieurs centaines de galaxies ◦ formation inconnue  hypothèse ◦ Limite trou noir stellaire ↔ trou noir supermassif: TN  TNS pour M > 1 million * Msoleil Le plus connu: ◦ Quasar : - Objet très brillant au centre d’une galaxie - Emet 10 billions de fois l’énergie solaire par seconde - Source d’énergie vient du trou noir supermassif qui le constitue Vue d’artiste d’un quasar

7. Historique • 1783 : John Michell invente le concept d’un corps si massif que même le lumière ne pourrait s’en échapper. • 1915 : Albert Einstein publie sa Relativité Générale. • 1916 : Karl Schwarzschild prédit l’existence des trous noirs à partir de la relativité générale d’Einstein. • 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 l’observer avec d’autres types de rayonnements • 1967 : Martin Rees et Donald Lynden-Bell prédisent que s’il existe un trou noir au centre de la Voie Lactée, il doit émettre dans le domaine radio.

8. 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.)

9. 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 < 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 : L’étude d’une étoile en particulier (S2)  déduction de la masse de SgrA*

11. 2002 (suite) : Le télescope spatial Integral est mis en orbite  observe le rayonnement gamma du centre galactique

12. Deux expériences • La masse de SgrA* Idée : Observer le mouvement d’étoiles 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 l’institut 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

13. Instrumentation : En 2001, l’instrument NACO fut installé sur Yepun (VLT de l’ESO) NACO est composé de 2 sous-systèmes: - NAOS (Nasmyth Adaptative Optics System)

14. CONICA (COudé Near Infrared CAmera) Haute résolution angulaire : 0.01 ’’ (dans l’infrarouge proche) Le domaine de longueurs d’onde de rayonnements IR est entre 2500-830 nm : La caméra CONICA est optimisée pour le domaine IR car le système d’optique adaptative est limité à cette bande pour l’instant. --------------------------- • NACO donne des résultats 20 fois plus sensibles et 3 fois plus précis qu’auparavant. • Il permet de différentier les étoiles qui nous paraissaient jusqu’alors ne faire qu’un !

15. 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 !

16. Résultats de 1992-2002 • Mouvement propre de S2  Détermination de 2/3 d’une 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 l’apocentre : 8 fois plus faible ~ 625 km/s • Distance au péricentre : 17 heures-lumière! (~124 UA) et celle à l’apocentre : ~ 10 jours-lumières  orbite très excentrique : 0.87 (Orbite de la Terre = 0,017)

17. Analyse des résultats: Trajectoire de S2  déduction de la masse de SgrA* 3ème loi de Kepler:  Avec [P] = années [a] = UA [M] = Msoleil

18. Application: masse de SgrA* masse de S2  Véritables résultats: - M = (3.7  1.5) millions de Msoleil - Dans un volume délimité par l’orbite de S2 (17 h-l) Avantages de la méthode orbitale: - Déduction de la masse à partir d’une unique trajectoire - Nécessite peu d’hypothèses  évite les effets systématiques - Très simple !

19. 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 d’étoiles 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 !

20. Distribution de masse : potentiel d’une masse ponctuelle Distribution de masse dans le centre galactique

21. La rotation de SgrA* : Découverte le 9 mai 2003 : L’équipe de Genzel et Schödel est témoin de puissants flashs infrarouges à proximité de SgrA*. • Première fois qu’on “voit“ l’agonie de matière tombant dans un trou noir Instruments : NACO en 3 bandes : H (1,65 μm), Ks (2,16 μm), L (3,76 μm)

22. Observation: ● 9 mai 2003 à 6h59min24s : 1er flash en IR (bande H) à quelques mas (h-l) du trou noir supermassif: - Intensité a augmenté d’un facteur 6 - Durée de 30 minutes ● 15-16 Juin 2003: 2 autres flashs sont détectés (bande Ks): - Intensité a augmenté d’un 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 %

23. Courbes de lumière des différents flashs IR

24. Analyse des données: ● Processus théorique: 1) Matière capturée par le trou noir 2) Elle tourne de plus en plus vite 3) Elle s’échauffe et rayonne dans l’IR. ● Flashs proviennent de la zone d’accrétion 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 !

25. 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 d’années ! Rappel:  étoiles massives brûle rapidement leur carburant. ● Problème: Etoiles trop jeunes pour flirter avec un trou noir !

26. Différentes hypothèses : • Elles se sont formées près du trou noir supermassif.  Impossible : champ de gravitation est tel qu’il déchire les nuages proto-stellaires (pour y résister : densité de 100 000 milliards de part/cm^3 !) • Elles ont migré.  Impossible :  voyage en moins de 10 millions d’années Mais frottements qui produit la chute de l’étoile empêche excès de vitesse!  Possible pour un groupe (temps de parcours α 1/M) ☺ Les amas suffisaments massifs peuvent voyager en temps voulus. ☹ Personne n’en a vu (au moins 100 000 Msoleil) ☹ On en observe que 17 !

27. Elles ont été catapultées: destabilisées  capturées sur orbite stable ☺ Accepte les orbites stellaires orientées aléatoirement ☺Explique la prédominance d’étoiles 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

28. ☺ Géantes rouges à proximité d’un trou noir  enveloppe arrachée  teint juvénile (bleu) ☹  Temps de vie surestimé. Si elles existaient,elles ne vivraient que quelques milliers d’années. Or, leur présence date certainement de plus de 100 000 ans .  Conclusion : Aucune explication satisfaisante.  Le mystère reste intact !

29. Futur • Pour la méthode orbitale: • But: Observer d’avantage d’accélérations et d’orbites d’étoiles proche de SgrA* (invisibles pour l’instant) • Interferomètre Large Binocular Telescop, VLT, Keck  résolution de quelques milli arcs-seconde !  Permettront d’observer les étoiles entre 10 et 100 Rs (dizaine d’h-l) ● Pour la théorie : Comprendre la formation des trou noirs : - quand ? - comment ? - pourquoi ?

30. Largeur virtuelle ~ diamètre terrestre! • Pour le radio: VLBA (Very Large Baseline Array)  images radio du centre galactique, de l’ombre du trou noir ombre

31. Pour le flashs IR et X : - Simultanéité (ou non) des flashs IR et X - Démonstration directe de l’existence de l’horizon • Conclusion : Les trous noirs ont un avenir brillant !