troublants trous noirs

TROUBLANTS TROUS NOIRS Thibault DAMOUR IHES © A. Riazuelo 1 1914-­‐1915 Fritz Haber Walter Nernst Max Planck 2 Novembre 1915 3 22 décembre 1915 Karl S chwarzschild 4 &R,-E2;-B:*/HH-N:D2O:*N:E*2B;0E*D;-BE*
S*3OH:L.B:*<=<@*T*E;10U;D*:F/H2:*2B;0KO:*V/B*!"#$%&'()"#*+'(,$-%WX*.;0H1-:B*D;-B*YZ*
*
*
*
S*[*"/\;D*]B/K-2/U;DD:1*^*T*
*
*
S*_*`;DN:DE:B*1/*L/EE:*N0*);1:-1*N/DET**
****&/*L/EE:*NR0D:*L;D2/]D:*N/DE*H,/a0:*NO*b*H;0NB:*c**H:D2*d;-E*V10E*]B/DN*
****a0:*1/*N:DE-2O*D0H1O/-B:*
*
S*$D:*H;DEOa0:DH:*N:*1/*2,O;B-:*N:*1/*":1/UK-2O**
***eODOB/1:*a0-*:E2*B:E2O:*K;-1O:*V:DN/D2*1;D]2:LVE*
*
S*`;DH:V2*-DK:D2O*V/B*#VV:D,:-L:B*:2*)D\N:B*
***:D*f0-11:2*<=M=*
*
S*GB-E*/0*EOB-:0Fg*:2*NOK:1;VVO*E:01:L:D2*b*V/BUB*
***N:*<=hi?<=h=*V/B*3;B;E,I:K-H,?j:1RN;K-H,?(;K-I;Kg*
***+EB/:1g*C,::1:Bg*G:DB;E:g*k*
@*
3OK:1;VV:L:D2E*2,O;B-a0:E*:2*NOH;0K:B2:E*
;.E:BK/U;DD:11:E*a0-*;D2*V:BL-E*1ROL:B]:DH:*N0*H;DH:V2*W<Z*
S*<=<l?<=J>*6K;10U;D*N:E*O2;-1:E*c*)0V:BD;K/:
S*<=<l?<=J>*6K;10U;D*N:E*O2;-1:E*c*)0V:BD;K/:*
***[*(/-D:E*.1/DH,:E*^*T*
*
S*<=Jh*":1/UK-2O*":E2B:-D2:*m*4OH/D-a0:*n0/DUa0:*m*GB-DH-V:*NR6FH10E-;D*********
S*<=Jh*":1/UK-2O*":E2B:-D2:*m*4OH/D-a0:*n0/DUa0:*m*GB-DH-V:*NR6FH10E-;D*********2,O;B-:***
***N:*1/*L/UoB:*B:1/UK-E2:*d:BL-;D-a0:*dB;-N:*WA;Q1:B*<=JhZ*
*
S*<=J=?M@*L/EE:*1-L-2:*N:E*D/-D:E*.1/DH,:E*W`,/DNB/E:I,/Bg*&/DN/0Z*
*
S*<=MJ*3OH;0K:B2:*N0*D:02B;D*W`,/NQ-HIZ*
*
S*<=M>*`;DH:V2*NRO2;-1:E*b*D:02B;DE*Wp&/DN/0qg*%//N:?jQ-HI\Z*N:DE-2O*NR0D:*O2;-1:*
***b*D:02B;DE*T**
*
S*<=M=*#VV:D,:-L:B?r;1I;s*T*O2;-1:E*b*D:02B;DE*:D*":1/UK-2O*eODOB/1:*T*
***L/EE:*1-L-2:*N:E*O2;-1:E*b*D:02B;DE*
%
S*f0-11:2*<=M=*#VV:D,:-L:B?)D\N:B*T*1:E*O2;-1:E*2B;V*L/EE-K:E*V;0B*[*tD-B*1:0B*K-:*^*
***:D*O2;-1:E*b*D:02B;DEg*ER:s;DNB:D2*E0B*:11:E?LuL:Eg*f0Ea0Rb*H:*a0:**
h*
***1/*10L-oB:*OL-E:*V/B*1RO2;-1:*D:*V/BK-:D2*/1;BE*V10E*b*1R:F2OB-:0B*
*
Supernova du crabe (4 juillet 1054) 7 3OK:1;VV:L:D2E*2,O;B-a0:E*:2*NOH;0K:B2:E*
;.E:BK/U;DD:11:E*a0-*;D2*V:BL-E*1ROL:B]:DH:*N0*H;DH:V2*WJZ*
S*<=hM*n0/E/BE*!*6F-E2:DH:*N:*2B;0E*D;-BE*E0V:BL/EE-dE*_*
*
S*<=hM*E;10U;D*:F/H2:*N:*";\*P:BB*
***W]ODOB/1-E/D2*)H,Q/B9EH,-1NZ*
*
S*<=hi*G01E/BE*!*:F-E2:DH:*N:E*O2;-1:E*b*D:02B;DE***
*
S*<=hv*1:*D;L*[*.1/HI*,;1:*^*:E2*-DK:D2O*WC,::1:BZ*
*
S*<=h=*K-E-;D*EV/U;?2:LV;B:11:*]1;./1:*N0*2B;0*D;-B*
***WG:DB;E:Z*
*
S*<=il*E;0BH:E*w*.-D/-B:E*!*:F-E2:DH:*N:*2B;0E*D;-BE*N:*
*
S*<=iM*p<=hMq*E0BE/02E*]/LL/*
";\*P:BB*
v*
Précurseurs et résistances conceptuelles au trou noir • 1784 Michell, étoiles invisibles • 1796 Laplace, corps obscurs • 1920 A Anderson : « if the mass of the sun were contracted … shrouded in darkness… » • 1921 O. Lodge : « a sufficiently massive and concentrated body would be able to retain light and prevent its escaping. » • 1922 discussions Hadamard-­‐Einstein * * * * * * * * * * * * * • Landau 1932 « … do not show any such ridiculous tendencies… » • Eddington 1935 : « I think there should be a law Nature to prevent a star from behaving in this absurd way. » • Einstein mai 1939 : « The « Schwarzschild singularity » does not appear for the reason that maCer cannot be concentrated arbitrarily. » • Wheeler 1958 : « [the Oppenheimer-­‐Snyder proposal] does not give an acceptable answer to the fate of a system of A-­‐nucleons under gravitaIonal forces. » 9 3OtD-U;D*NR0D*2B;0*D;-B*
3OtD-U;D*D/yK:*T*
rB/-:*NOtD-U;D*T*N-/]B/LL:*NR:EV/H:?2:LVE*
r-2:EE:*N:*1-.OB/U;D*z*K-2:EE:*N:*1/*10L-oB:*
rayon
r = 0 SINGULARITÉ
r = 2M
HORIZON
masse
ÉCLAIR
LUMINEUX
ÉMIS DEPUIS
LE CENTRE
constante
de la gravitation
vitesse
de la lumière
temps
ÉTOILE EN
EFFRONDREMENT
espace
<l*
6EV/H:*[*V1/2*^*W60H1-N:Z*
C
^
C
A
^
B
^
A
B
C
A
B
<<*
6-DE2:-D*T*:EV/H:*O1/EUa0:g*NOd;BLO*V/B*1/*L/UoB:?OD:B]-:*
G1/Do2:g*O2;-1:g*O2;-1:*L;B2:k*
M
A/H2:0B*NR/]B/DN-EE:L:D2*N:E*/D]1:E*
C
A
B
!:BB:*T*
*
);1:-1T*
*
62;-1:*b*D:02B;DET**
*
!B;0*D;-B*T*
>l*{*
*
<ll*{*
2R
<J*
6-DE2:-D*T*2:LVE*O1/EUa0:g*NOd;BLO*V/B*1/*L/UoB:?OD:B]-:*
A/H2:0B*N:*B/1:DUEE:L:D2*N0*2:LVE*
2R
!:BB:*T*
*
);1:-1T*
*
62;-1:*b*D:02B;DET**
*
!B;0*D;-B*T*
?*JM*{*
*
?*<ll*{*
<M*
|0L:/0F*:2*2B;0*D;-B*
!:LVE*]:1O*b*1/*E0Bd/H:*N0*2B;0*D;-B*
<>*
Le bloc Espace-­‐Temps einsteinien H. Poincaré A. Einstein H. Minkowski 15 Le cône de lumière 16 Espace-­‐Temps élasUque de la RelaUvité Générale RelaUvité Restreinte RelaUvité Générale 17 Effondrement d'une étoile et formaUon d'un trou noir r = 0 SINGULARITÉ
r = 2M
HORIZON
temps
ÉCLAIR
LUMINEUX
ÉMIS DEPUIS
LE CENTRE
espace
ÉTOILE EN
EFFRONDREMENT
• rien ne peut sorUr de l'intérieur du trou noir (zone grisée) : ni lumière, ni maUère, ni informaUon • la surface du trou noir (ou "horizon") est une bulle de lumière qui, localement, se déplace vers l'extérieur à la vitesse de la lumière, mais qui, globalement fait du "sur-­‐place" • le développement temporel de la région intérieure est limité et se termine par un bord d'espace-­‐temps (gris foncé) où l'espace-­‐temps cesse d'exister : un "big crunch" où la toile espace-­‐temps se déchire 18 &:E*2B;0E*D;-BE*:D*/E2B;V,\E-a0:*W<Z*
S* &:E* O2;-1:E* OK;10:D2* :D* .BÅ1/D2* 1:0B* H/B.0B/D2* D0H1O/-B:8* +1* :F-E2:* N:E* O2;-1:E*
2BoE*L/EE-K:E*WN-F*d;-Eg*;0*LuL:*H:D2*d;-E*V10E*L/EE-K:E*a0:*1:*);1:-1Zg*/1;BE*a0:*
1/*L/EE:*N:E*O2/2E*tD/1E*V;EE-.1:E*WD/-D:E*.1/DH,:Eg*O2;-1:E*b*D:02B;DZ*:E2*1-L-2O*
b****************8*3;DHg*1:E*]ODOB/U;DE*V/EEO:E*:2*VBOE:D2:E*N~O2;-1:E*N;-K:D2*d;BL:B*
N:E*2B;0E*D;-BE*WV10E*L/EE-dE*a0:*1:*);1:-1Z*
*
*S* &:E* E;0BH:E* w* .-D/-B:E*
N / D E * D ; 2 B :* e / 1 / F - :*
d;0BD-EE:D2*0D:*N;09/-D:*N:*
H/DN-N/2E* 2B;0E* D;-BET*
E\E2oL:E* .-D/-B:E* d/-2* N~0D:*
O2;-1:*;BN-D/-B:*H/DD-./1-EO:*
V/B*0D*H;LV/]D;D*L/EE-d*
*
<=*
Les trous noirs en astrophysique (2) •L'existence de sources très intenses d'ondes é l e c t r o m a g n é U q u e s situées au centre de n o m b r e u s e s g a l a x i e s suggère l'existence de trous noirs supermassifs accrétant de la maUère d a n s l e u r s p u i t s d e potenUel gravitaUonnels 20 Les trous noirs en astrophysique (3) •Il y a de très fortes preuves indirectes de l'existence d'un trou noir de quatre millions de masses solaires au centre de notre Galaxie (Genzel) 21 Trous noirs et ondes gravitaUonnelles • La preuve ulUme de l'existence de trous noirs sera sans doute apportée par l'observaUon prochaine des ondes de déformaUon de la géométrie de l'espace (ou "ondes gravitaUonnelles") engendrée par des systèmes binaires de trous noirs, é v o l u a n t j u s q u ' à l e u r coalescence finale. Dans ce‚e coalescence, les deux trous noirs fusionnent pour former un trou noir plus gros. 22 6D:B]OUa0:*N:E*2B;0E*D;-BE*
S* %-:D* a0~0D* 2B;0* D;-B* E;-2* d/-2* E:01:L:D2* N~:EV/H:* K-N:g* ;D* V:02* 1:* H;DE-NOB:B*
H;LL:* 0D* ;.f:2* V,\E-a0:* 1;H/1-EO* N/DE* 1~:EV/H:* :2* V:BE-E2/D2* N/DE* 1:* 2:LVEg* :2*
B:VBOE:D2O*V/B*0D*20.:*N~:EV/H:?2:LVE*WX*,;B-9;D*X*E0Bd/H:*N0*2B;0*D;-BZ*
*
S* $D* 2B;0* D;-B* V;EEoN:* 0D:* L/EE:g* 0D:* OD:B]-:g* 0D:* -LV01E-;Dg* 0D* L;L:D2*
H-DOUa0:g*0D:*H,/B]:*O1:H2B-a0:8*
*
&:E* 2B;0E* D;-BE* E;D2* 1:E* V10E* ]B/DNE* BOE:BK;-BE* N~OD:B]-:* 1-.B:* N:* 1R0D-K:BE8* +1E*
V:0K:D2* E2;HI:B* f0Ea0~b* J={* N:* 1:0B* OD:B]-:* N:* L/EE:* W* * * * * * * * * * Z* E;0E* d;BL:*
N~OD:B]-:* H-DOUa0:* N:* B;2/U;Dg* V;2:DU:11:L:D2* :F2B/HU.1:* W`,B-E2;N;01;0?
"0ÉD-Z*
JM*
GB;VB-O2OE*2,:BL;N\D/L-a0:Eg*O1:H2B-a0:E*:2*
,\NB;N\D/L-a0:E*N:E*2B;0E*D;-BE*
I
V
S*'D/1;]0:*N0*E:H;DN*VB-DH-V:*N:*1/*2,:BL;N\D/L-a0:*T*
$00J9(0+$:$7$&Jg* 1~/-B:* N:* 1~,;B-9;D* D:* V:02* a0~/0]L:D2:B*
W`,B-E2;N;01;0?"0ÉD-g*5/QI-D]Z*
*
S*'D/1;]0:*N0*VB:L-:B*VB-DH-V:*N:*1/*2,:BL;N\D/L-a0:*
W%/BN::D?`/B2:B?5/QI-D]Z*
*
S)0Bd/H:*N0*2B;0*D;-B*/D/1;]0:*b*0D:*E0Bd/H:*LO2/11-a0:*
H;DN0H2B-H:*N:*1~O1:H2B-H-2O*T*1;-*N~#,L**
*****************#,L*W
*****************#,L*W3/L;0Bg*jD/f:IZ**
*
BOE-EUK-2O*E0Bd/H-a0:*Mii*#,L*W3/L;0BZ*
*
S* )0Bd/H:* N0* 2B;0* D;-B* /D/1;]0:* b* 0D* Ñ0-N:* K-Ea0:0F*
Z*E/UEd/-E/D2*0D:*Oa0/U;D*N:**
W5/B21:?5/QI-D]Z*E/UEd/-E/D2*0D:*Oa0/U;D*N:**
W3/L;0BZ*
(/K-:B?)2;I:E*/K:H*0D:*K-EH;E-2O*O]/1:**
J>*
GB;VB-O2OE*a0/DUa0:E*NR0D*2B;0*D;-B*
GB;VB-O2OE*a0/DUa0:E*N~0D*2B;0*D;-B*
*
G:B2:* N~0D* .-2* N~-Dd;BL/U;D* a0/DN* 0D:*
V/BUH01:* :E2* /.E;B.O:* V/B* 0D* 2B;0* D;-Bc*
%:I:DE2:-D* E0]]oB:* 0D:* :D2B;V-:*
VB;V;BU;DD:11:*b*1~/-B:*N0*2B;0*D;-B8*
*
5/QI-D]* 2B;0K:* a0~:D* 2,O;B-:* a0/DUa0:*
1:E* 2B;0E* D;-BE* OL:Ç:D2* 0D* B/\;DD:L:D2*
H;DUD0g* H;LL:* 0D* H;BVE* H,/0N* b* 0D:*
2:LVOB/20B:* D;D* D011:8* `:1/* H;DtBL:* 1/*
V:BUD:DH:*N:*1~:D2B;V-:*N~0D*2B;0*D;-B*
*
J@*
6D2B;V-:g*NOE;BNB:*:2*WL/Da0:*NRZ*-Dd;BL/U;D*
(;L.B:*N:*H;Dt]0B/U;D*L-HB;EH;V-a0:E*V;EE-.1:E*Wb*K*:2*L*tFOEZ*T*?"
%;129L/DD*W<viiZ*T*6D2B;V-:*A*X*1;]*?"
*****J8M*WÖ*H,-sB:E*N:*
p1;]*?*****J8M*WÖ*H,-sB:E*N:*?*Ü*<Z***
1;]*?*****J8M*F*vq*
*****J8M*F*vq
:8]*?*X*<JM*>@h*iv=*X*<8JM>@hiv=*á*<lv*
*
Jh*
n0:EU;DE*;0K:B2:E*
S* n 0 : 1 E* E ; D 2* 1 : E* O 2 / 2 E* a 0 / D U a 0 : E*
L-EHB;EH;V-a0:E*N~0D*2B;0*D;-B*_*&/*2,O;B-:*N:E*
H;BN:E* BOV;DN* V/BU:11:L:D2* b* 1/* a0:EU;D*
W%;Q-HI?)L;1-D?C-f:Q/BN,/D/g* )0EEI-DNg* ):Dg*
) 2 B ; L - D ] : B ? r / d / g* ` / 1 1 / D ? 4 / 1 N / H : D / g*
%B:HI:DB-N]:?888g* C-Ç:Dg* 5;B;Q-29?G;1H,-DEI-g*
3/L;0B?r:D:9-/D;g* 888g* 2~5;;àg* 888g* 4/2,0Bg*
3:D:dg*G-;1-D:g*%:D/?C/BD:Bg*888Z*
*
S*n0~/NK-:D2?-1*N:*1~-Dd;BL/U;D*2;L.O:*N/DE*0D*
2B;0* D;-B* a0/DN* 1:* 2B;0* D;-B* E~OK/V;B:* _*
W5/QI-D]g*G/]:g*888Z*
*
S*n0:1*:E2*1:*B}1:*N:E*2B;0E*D;-BE*:D*V,\E-a0:*N:E*
V/BUH01:E*_*W2~5;;àg*888Z*
*
Ji*
`;DH10E-;DE*
S*&:E*2B;0E*D;-BE*E;D2*1/*VBON-HU;D*1/*V10E*d/EH-D/D2:*N:*1/*2,O;B-:*N:*1/*":1/UK-2O*
eODOB/1:* N~6-DE2:-Dc* 1:* H;DH:V2* /* L-E* 1;D]2:LVE* b* u2B:* /VVBO,:DNOg* /HH:V2O* :2*
B:H;DD08*
*
S*+1E*:F-E2:D2*VB;./.1:L:D2*N/DE*1~0D-K:BE*BO:1g*/K:H*N:E*L/EE:E*V;0K/D2*/11:B*N:*
****************b**
*
S* &:0BE* VB;VB-O2OE* L/2,OL/Ua0:Eg* :2* :D* V,\E-a0:* D;D?a0/DUa0:g* E;D2*
B:1/UK:L:D2*.-:D*H;LVB-E:E*W/K:H*N:E*9;D:E*N~;L.B:*B:E2/D2:EZ*
*
S* &:0BE* VB;VB-O2OE* :2* 1:0B* B}1:* :D* V,\E-a0:* a0/DUa0:* B:E2:D2* :DH;B:* :D* V/BU:*
L\E2OB-:0F8*
Jv*