Les Trous Noirs, la Cosmologie et les ondes Gravitationelles - APC Edward K. Porter
←
→
Transcription du contenu de la page
Si votre navigateur ne rend pas la page correctement, lisez s'il vous plaît le contenu de la page ci-dessous
Les Trous Noirs, la
Cosmologie et les
ondes Gravitationelles
Edward K. Porter
APC
!
• Objets compacts • La formation des trous noirs supermassifs • La cosmologie • Les ondes gravitationnelles
Objets
Compacts
évolution Stellaire
Fusion Nucléaire
Fin d’évolution
Géante Rouge
Naine Blanche
Supernovae
Etoile à Neutrons
Trou Noir
Evolution Stellaire Contraction gravitationnelle d’un concentration de matière dans des nuages d’hydrogène moleculaire
Fusion Nucléaire
Pour arrêter l’effondrement gravitationnel, l’étoile
commence la fusion d’hydrogène dans le noyau.
Gravité
Pression de radiation
Fin d’évolution 1
Formation d’un noyau de He
!
Etoile n’est pas assez massive pour brûler He
!
Le noyau commence à se contracter
!
L’effondrement et le réchauffement des couches extérieures.
!
Debut de fusion d’hydrogène dans la couche à côté du noyau
!
Expansion des couches extérieures à l’orbite de Mercure
!
Géante Rouge
Orbite de la Terre
Tc ~ 108 K, debut de fusion He
!
Formation de C,N,O
!
N’est pas assez massive pour brûler C
!
L’effondrement du noyau
1 AU
!
Expansion des couches extérieures
à l’orbite de la Terre.
!
Etoile instable
H inerte
He C-O
H
Nébuleuse Planétaire
Naine Blanche
Masse :
MN B 0.6M
!
Taille :
RN B R⇥ 10 2
R⇤
!
Densité :
NB 10 kg m
9 3
10 4
⇤ 10 5
⇥
!
= 106 fois la densité d’acier
!
Température : Tsurf 10 K4
10T surf
Tc 107 K Tc
Et la bataille contre la gravité? La naine blanche doit toujours résister à la force de la gravité. ! Pour comprendre comment, nous devons utiliser la mécanique quantique. ! Les particules dans les naines blanches existent dans un plasma. ! La gravité essaie de tirer tous les particules vers le centre du potentiel gravitationnel.
Matière Dégénérée
Pour un gaz, la pression est
P = nkT
!
Mais pour la matière dégénérée, c’est
! ⇥4/3
! P c
me
!
Il y a une relation entre la taille d’une naine blanche
est la masse
R M 1/3
! ⇥3/2
c
La masse de Chandrasekhar MC ⇥ 1.4 M
GFin d’évolution 2 Pour les étoiles avec une masse plus grande que 10 M c’est possible de créer tous les éléments lourds jusqu’à 56Fe. La pression des électrons dégénérées est trop faible pour arrêter la contraction gravitationnelle du noyau.
Supernovae
Supernovae
Etoiles à neutrons
Masse :
MEN ⇥ 1.35 2M
!
Taille :
REN 12 km 10 4
R⇥
!
Densité :
EN 1017 kg m 3
1014 ⇥
!
Température :
TEN 10 K 11
!
Rotation :
⇥ 1.4 ms 30 secs
!
Gravité :
gEN 10 12
ms 2
10 g
11
!
!
Vitesse de libération : vesc 105 km s 1
0.3cEtoiles à neutrons Maintenant, la pression contre la gravité est due aux neutrons dégénérés. ! Grâce à un champ magnétique énorme (~1011 G), il y a une émission de radiation comme un phare. ! On l’appelle un “pulsar”.
Les trous noirs
Si le noyau est plus grand que 3 M , ni la pression
des électrons ni des neutrons dégénérés sont assez
forts pour pousser contre la gravité.
Avec cette quantité de masse dans une sphère de 18 km,
la seule possibilité est un trou noir.
!
Les trous noirs sont, à la fois, des objets les plus simples et
les plus complexes dans l’Univers.Les trous noirs Un trou noir est composé d’un horizon et une singularité. ! Les trous noirs déforment l’espace-temps
Le Rayon de Schwarzschild
Le point dans l’espace-temps où la vitesse de libération
égale la vitesse de la lumière, s’appelle l’horizon
1 GM m 2GM
mvesc =
2
RS =
2 R c2
Pour le soleil
2 6.67 10 11
2 1030
RS = ⇥3 103 m = 3 km
9 1016La Formation des Trous Noirs Supermassifs Décalage vers le rouge Distance dans l’univers Les “seeds” des trous noirs Collisions des galaxies Binaires des trous noirs supermassifs
Décalage vers le rouge
0
Pour les sources
z = 1
e
!
mais pour l’expansion de l’Univers, le décalage vers le
rouge est donné par
a0
z= 1
a(t)Distance dans l’univers
Etoiles Pop IIIDistance dans l’univers
formation des galaxiesDistance dans l’univers
MACS0647-JD, z = 10.7
+420 MyrsDistance dans l’univers
GRB090429B, z = 9.4
+520 MyrsDistance dans l’univers
ULAS J1120+0641, z = 7.08
+770 MyrsLes “seeds” Deux possibilités pour agrandir les TNS : ! 1) Ce qui reste des étoiles Pop III masses faibles formation à z=18 âge de l’Univers 0.2 Gyrs aucune preuve pour l’existence des étoiles Pop III
Les “seeds” 2) L’effondrement directe d’un proto-galaxie. masses importantes formation à z=11 âge de l’Univers 0.45 Gyrs aucune preuve pour l’existence de l’effondrement direct des proto-galaxies
Formation Hiérarchique temps
Formation Hiérarchique
Collisions des galaxies
Les Ondes Gravitationnelles Definition Sources des ondes gravitationnelles Systèmes des binaires La détection des ondes gravitationnelles Virgo/LIGO/LGCT eLISA/LISA-Pathfinder
La Relativité Générale
Une prédiction de la théorie de la Relativité Générale
!
Des oscillations dans la courbure de l’espace-temps
!
Les OG demandent de très grandes masses et de très
grandes accelerationsComparaison entre les
photons et les OGs
EM OG
loi en carré inverse loi en carré inverse
vprop = c vprop = c
2 polarisations 2 polarisations
rotation de 90˚ rotation de 45˚
dispersés et diffractée par Interaction très faible avec la
l’interaction avec la matière matière
oscillation de le champ
oscillation de l’espace-temps
électromagnétiquePolarizations des OGs
Les Sources des OGs
Binaires des naines blanches, étoiles à neutrons,
trous noirs stellaires et supermassifs
!
La création de l’Univers
!
Défauts dans le début de l’Univers comme les
chordes cosmiques
!
Des “pulsars” asymétriques
!
SupernovaeSystèmes des binaires La majorité des étoiles dans notre galaxie sont dans les systèmes des binaires. ! L’évolution des étoiles dans les binaires est très differente que l’évolution des étoiles isolées. ! L’interaction avec l’autre corps peut détruire le deuxième, changer la masse, convertir une naine blanche en étoile à neutrons, où convertir une étoile à neutrons en trou noir.
Systèmes des binaires Hulse-Taylor Binary Pulsar ! dP/dt ~ la prédiction d’Einstein ! 15 autres systèmes maintenant connues
La Détection Des OGs
Virgo/LIGO/LCGT etc
LISA Pathfinder
Mission ESA
!
Tester la technologie pour un
futur mission spatial.
!
Date de lancement : Juillet 2015eLISA
Mission ESA L3
!
La détection des OG à partir des trous noirs
supermassifs, des binaires de naines blanches dans notre
galaxie, les sursauts des OG à partir des chordes
cosmiques et peut-être un fond stochastique
cosmologique.
!
4000 sources par an
!
Date de lancement : 2034POURQUOI SI GRAND?
L
La distortion du détecteur est
h
L
Les OGs sont faibles
h 10 21
!
eLISA va mesurer une distortion de 20 pm
!
10 12
Donc L 10 m
9
10 21L’Importance Des OGs
L’erreur dans l’estimation de distance
lumineuse avec des téléscopes EM est
entre 30-70%
!
Un supernova peut libérer
LSN 1040 W 1014 L
La coalescence de deux TNS peut libérer
Lgw 1052 W 1026 L
1
Les polarisations sont proportionnelles à h
DL
L’espoir est de mesurer la distance lumineuse avec une précision
moins de 10%L’Importance Des OGs 1) Verification de la Relativité Generale ! 2) Verification de l’existence des trous noirs stellaires et supermassifs dans l’univers ! 3) Regarder la formation de structure dans l’aube cosmique ! 4) Montrer la distribution de masse galactique comme un fonction de temp cosmique
Merci!
Etoiles de Masse Faible Pour les étoiles de masse M 1.3 M le mécanisme dominant pour la production des éléments lourdes est le cycle proton-proton (T~106 K) PP II
Etoiles plus lourdes Pour les étoiles plus lourdes le mécanisme dominant pour la production des éléments lourdes est le cycle CNO (T~107 K)
Matière Dégénérée Dans la mécanique quantique, la structure d’un atome est réglée par les nombres quantiques n, l, ml
Matière Dégénérée Les nombres contrôlent la quantité d’électrons dans chaque niveau. ! Mais, c’est impossible d’avoir deux electrons avec le même spin dans le même état quantique (principe d’exclusion de Pauli)
Vous pouvez aussi lire
