Galaxies et cosmologie - Françoise Combes

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noiresSéminaire - Florent Leclercq - L'énergie noire avec EuclidIntervenant(s) :Yann RaseraObservatoire de ParisRésumé : L'énergie noire représente l'un des plus grands mystères de la science actuelle : est-ce une constante cosmologique, un fluide exotique ou la manifestation d'une modification des lois de la gravité à grande échelle ? Pour répondre à cette question cruciale, il nous faut à la fois développer des théories explorant différents scénarios dans le cadre de la relativité générale et au-delà, mais aussi effectuer des relevés profonds de galaxies, dont la distribution est sensible à la nature de l'énergie noire.Mais ce n'est malheureusement pas suffisant. Il est, en effet, crucial de construire un pont robuste entre théories et observations. À l'heure actuelle, l'outil le plus précis à notre disposition est la simulation numérique. Dans ce séminaire, j'exposerai ainsi l'apport fondamental des simulations numériques à la problématique de la nature de l'énergie noire.Grâce à des modélisations de la formation des grandes structures de l'Univers, les scientifiques réalisent des expériences « in-silico », en variant les propriétés de l'énergie noire et en étudiant leurs conséquences sur la distribution des galaxies. En explorant des centaines d'univers simulés correspondant à autant de modèles d'énergie noire et en les comparant aux observations, les cosmologistes cherchent ceux qui sont compatibles avec le nôtre. Cette démarche leur permet de tirer des indices précieux dans notre quête de la compréhension de la nature de l'énergie noire.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires07 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Perspectives à dix ansIntervenant : Françoise CombesProfesseur du Collège du FranceRésuméLe satellite Euclid, lancé en juillet 2023 par l'Agence spatiale européenne, va observer une grande partie du ciel pendant six ans, et identifier plus de dix milliards de galaxies à différentes époques. Il va utiliser plusieurs outils comme les lentilles gravitationnelles, les oscillations acoustiques baryoniques, le taux de croissance des structures, des amas de galaxies, les distorsions espace-redshift, pour lever le voile sur le secteur noir de l'Univers. Plusieurs expériences complémentaires vont suivre : le télescope Vera Rubin au Chili, ou le SKA, qui utiliseront des outils semblables, avec d'autres cibles. SKA va utiliser les sources radio, et la raie HI-21cm, cibles différentes des longueurs d'onde visible et infrarouge d'Euclid. La théorie de l'inflation pourrait être confirmée par la détection des ondes gravitationnelles primordiales, soit dans le fond cosmologique et les perturbations du mode-B, avec le rapport des perturbations tenseur/scalaire, soit par le réseau de pulsars avec SKA.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noiresSéminaire - Yann Rasera - Nature de l'énergie noire : éléments de réponse dans les simulations cosmologiquesIntervenant(s) :Yann RaseraObservatoire de ParisRésumé : L'énergie noire représente l'un des plus grands mystères de la science actuelle : est-ce une constante cosmologique, un fluide exotique ou la manifestation d'une modification des lois de la gravité à grande échelle ? Pour répondre à cette question cruciale, il nous faut à la fois développer des théories explorant différents scénarios dans le cadre de la relativité générale et au-delà, mais aussi effectuer des relevés profonds de galaxies, dont la distribution est sensible à la nature de l'énergie noire.Mais ce n'est malheureusement pas suffisant. Il est, en effet, crucial de construire un pont robuste entre théories et observations. À l'heure actuelle, l'outil le plus précis à notre disposition est la simulation numérique. Dans ce séminaire, j'exposerai ainsi l'apport fondamental des simulations numériques à la problématique de la nature de l'énergie noire.Grâce à des modélisations de la formation des grandes structures de l'Univers, les scientifiques réalisent des expériences « in-silico », en variant les propriétés de l'énergie noire et en étudiant leurs conséquences sur la distribution des galaxies. En explorant des centaines d'univers simulés correspondant à autant de modèles d'énergie noire et en les comparant aux observations, les cosmologistes cherchent ceux qui sont compatibles avec le nôtre. Cette démarche leur permet de tirer des indices précieux dans notre quête de la compréhension de la nature de l'énergie noire.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires06 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Constante cosmologique ou champs scalairesIntervenant : Françoise CombesProfesseur du Collège du FranceRésuméUne constante cosmologique est toujours possible, d'après les observations actuelles : fonds cosmologique micro-onde, relevés de galaxies, etc. Mais le problème d'ajustement fin est trop contraignant, et ne permet pas de faire le lien avec l'inflaton, champ scalaire de la première époque de l'Univers. Un grand nombre de théories font appel à un champ scalaire, une quintessence avec une énergie noire dynamique dans le temps. Il existe deux grands types de solution, selon l'équation d'état P= w x densité: soit un dégel w=-1 au départ, puis w croît en restant inférieure à -0.7 ; soit une congélation, où w tend asymptotiquement vers -1. Les théories de gravité modifiée, pour rendre compte de l'énergie noire sont multiples : Soit f(R), Tenseur-scalaire, Tenseur-vectoriel, Formalisme général de Horndeski, Théorie holographique, issue du problème de l'information autour des trous noirs.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noiresSéminaire -Silvia Galli - Les contraintes du fond diffus cosmologiqueIntervenant(s) :Silvia GalliIAP, ParisRésumé : Le fond diffus cosmologique (Cosmic Microwave Background, CMB) est la lumière la plus ancienne que nous puissions observer, émise environ 380 000 ans après le Big Bang. Les observations du CMB révèlent de minuscules fluctuations de température. Ces anisotropies contiennent une mine d'informations sur la nature et la structure de l'Univers. Elles nous permettent de mesurer avec une précision inégalée des paramètres cosmologiques fondamentaux, tels que la densité de matière noire et d'énergie sombre. Le CMB est également un outil précieux pour tester les théories de la physique fondamentale. Il est sensible à un large éventail de phénomènes, allant des masses des neutrinos à la nature de la gravité. Les contraintes les plus strictes sur le CMB proviennent actuellement des données recueillies par le satellite Planck de l'ESA. Planck a permis de tester nos modèles de l'Univers avec une précision extrême, répondant à de nombreuses questions mais laissant également quelques mystères fondamentaux non résolus. Les expériences actuelles et futures sur le CMB, telles que le télescope du pôle Sud (SPT), l'observatoire Simons, CMB-S4, Litebird et d'autres, continueront de nous fournir des informations précieuses sur l'origine, l'évolution et la composition de notre cosmos.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires05 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Contraintes sur l'énergie noireRésuméPlus de 95 % du contenu de l'Univers est noir ou inconnu : outre les 25 % faits de matière noire exotique, depuis vingt-cinq ans nous savons que l'expansion est accélérée, à cause de l'énergie noire qui représente 70 % du contenu. Les contraintes astrophysiques sont obtenues avec les meilleures sondes, les supernovae Ia, ensuite les sursauts gamma, les lentilles gravitationnelles fortes, ou les ondes gravitationnelles émises par les fusions de trous noirs. Pour l'instant, une constante cosmologique, comme introduite par Einstein, pourrait expliquer les observations. Toutefois, l'énergie du vide quantique a toujours une densité 50 à 100 ordres de grandeur supérieure à celle de l'énergie sombre de l'Univers. Si l'énergie noire est dynamique, elle pourrait être reliée à l'inflation des premiers instants de l'Univers. Ou bien faut-il faire appel à une gravité modifiée, qui pourrait aussi être compatible avec la mécanique quantique ? Il existe plusieurs tentatives : gravité uni-modulaire, super-symétrie (SUSY), théorie des cordes, holographie, gravité quantique à boucles.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noiresSéminaire - Julien Lavalle - Nouvelles particules et détection indirecteIntervenant(s) :Julien LavalleLUPM-MontpellierRésumé : Notre compréhension des observations cosmologiques actuelles et de la formation des grandes structures de l'Univers (galaxies et au-delà) repose en partie, dans le modèle cosmologique standard, sur l'existence d'un fluide effectif de matière noire froide dans lequel les perturbations imprimées durant les phases très primordiales de l'Univers pourraient croître sous l'effet de la gravité, permettant ainsi la naissance et l'évolution des galaxies. Une question fondamentale demeure : quelle est la nature de ce fluide, et comment a-t-il été produit, si tant est qu'il s'agisse réellement d'une nouvelle forme de matière ? Des développements théoriques en physique des particules dite « au-delà du modèle standard » proposent des scénarios plausibles caractérisés par l'existence de nouvelles particules suffisamment stables pour jouer le rôle de la matière noire.Dans ce séminaire, nous présenterons les classes de scénarios les plus prometteuses (WIMPs, axions ou scalaires légers, neutrinos stériles, etc.), et expliquerons comment les observations ou expériences présentes ou futures pourront les mettre en évidence ou les exclure. Nous verrons comment ces scénarios peuvent, sous certaines conditions, rendre aussi compte de potentielles anomalies aux petites échelles affectant la matière noire froide dans sa description la plus épurée. Enfin, nous nous demanderons dans quelle mesure ces nouvelles particules pourraient coexister avec d'hypothétiques trous noirs primordiaux, autres candidats potentiels à la matière noire.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires04 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Candidats possibles pour la matière noireRésuméIl existe plusieurs contraintes cosmologiques pour trouver des candidats, venant des galaxies, des amas, mais aussi des contraintes de physique quantique, fermions ou bosons. La physique des particules nous indique une grande variété des candidats : les WIMPS, avec interaction faible, provenant de la super-symétrie (SUZY), dont la particule la plus stable est le neutralino ; les neutrinos stériles, qui pourraient avoir une masse de l'ordre de quelques keV ; les trous noirs primordiaux ; les axions, ou particules semblables aux axions, de masse de l'ordre de 10**(-21) eV. Uniquement des limites supérieures sont obtenues dans les expériences de détection directe ou indirecte. Une autre piste est celle de la gravité modifiée.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noiresSéminaire - Nabila Aghanim - Distribution de la matière à grande échelleIntervenant(s) :Nabila AghanimIAS-OrsayRésumé : Les avancées théoriques et observationnelles de l'astrophysique et de la cosmologie moderne nous permettent de savoir que l'Univers, aujourd'hui, est composé d'une fraction très faible (~5%) de matière ordinaire, le reste étant composé de constituants dont on ignore encore la nature, la matière noire et l'énergie noire.Les observations révèlent que la matière à grande échelle est agencée en une gigantesque toile cosmique peuplée de galaxies. Elle est faite de vides, de murs et de filaments cosmiques à l'intersection desquels les nœuds renferment les structures gravitationnelles les plus grandes, amas de galaxies.La distribution de la matière dans la toile cosmique est le résultat de la croissance hiérarchique des structures durant l'évolution de l'Univers depuis le Big Bang. Les relevés cosmologiques, en cartographiant le ciel, nous révèlent ainsi la distribution spatiale de la matière à travers l'histoire de l'Univers. Nous arpenterons la toile cosmique pour découvrir ce que la distribution de la matière à grande échelle nous apprend sur l'histoire croisée de l'évolution des structures et de l'Univers.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires03 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - La matière noire à l'échelle des groupes et amasRésuméDans le Groupe local, la meilleure estimation de la masse est donnée par le théorème du Viriel. Les groupes compacts posent le problème de leur durée de vie. En fait, ils ne sont pas compacts depuis longtemps, selon les simulations. Dans les amas de galaxies, il y a plusieurs méthodes pour déterminer la masse : le Viriel, mais les vitesses des galaxies sont longues à obtenir ; l'équilibre hydrostatique du gaz chaud, émetteur X (si équilibre) ; les lentilles gravitationnelles fortes ; le cisaillement gravitationnel. Dans les cas de collisions violentes entre deux amas, il peut y avoir séparation entre matière noire et gaz, qui contient l'essentiel des baryons. Nous décrirons les relations d'échelle qui relient la luminosité, la température, et la masse des amas.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noiresSéminaire - Jonathan Freundlich - Défis à l'échelle des galaxies et alternatives à la matière noire froideIntervenant(s) :Jonathan FreundlichObservatoire de StrasbourgRésumé : Le modèle cosmologique standard avec matière noire froide permet de rendre compte avec précision du fond diffus cosmologique et des structures à grande échelle de l'Univers, tandis que les simulations numériques fondées sur ce modèle reproduisent avec succès de nombreuses propriétés observées des galaxies. Cependant, certaines tensions persistent entre le modèle et les observations, ce qui pourrait en indiquer les limites.En particulier, la relation de Tully-Fisher baryonique et des corrélations à plus petite échelle pourraient indiquer un couplage plus important entre matière baryonique et champ gravitationnel que ne le prévoit le modèle standard. De plus, les simulations ne s'accordent pas sur la répartition de la matière noire au sein des halos, et les observations révèlent une diversité inattendue des courbes de rotation des galaxies ainsi que la présence de plans de satellites, difficiles à expliquer dans le cadre du modèle. Par ailleurs, les simulations peinent à reproduire l'abondance des barres centrales dans les galaxies spirales et le contenu en gaz de ces galaxies.Ces défis pourraient trouver une solution en affinant notre compréhension des processus de formation et d'évolution des galaxies. Toutefois, il se pourrait que les difficultés rencontrées soient de nature plus fondamentale. Des alternatives à la matière noire froide, comme la matière noire tiède, floue ou auto-interagissante, ou encore des modifications de la gravité, ont été proposées pour tenter de résoudre ces problèmes. Ces modèles offrent des perspectives intéressantes, mais soulèvent eux-mêmes de nouvelles questions.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires02 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - La matière noire à l'échelle des galaxiesRésuméDans les galaxies massives, la matière noire n'est sensible que dans les parties externes, c'est un halo noir. Le meilleur traceur pour les parties externes est le gaz atomique HI-21cm, qui trace la masse totale. Dans les parties internes, il faut faire appel aux raies du gaz ionisé (Halpha, NII) à haute résolution spatiale, de même que la raie de CO, traceur du gaz moléculaire, qui permettent dans les galaxies de faible masse de révéler une densité constante avec le rayon, et non une cuspide, comme prédit par le modèle standard CDM. Les courbes de rotation dépendent surtout des baryons ; il existe une courbe universelle en fonction du rayon normalisé au rayon effectif. La relation d'échelle de Tully-Fisher baryonique montre que les baryons et la matière noire sont intimement couplés.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noiresSéminaire - Vincent Vennin - Inflation et trous noirs primordiauxIntervenant(s) :Vincent VenninENS-ParisRésumé : La théorie du Big Bang décrit un Univers en expansion, dans lequel de grandes structures se forment par effondrement gravitationnel. Ce sont les galaxies, filaments, murs et vides cosmiques qui nous entourent. Les embryons de ces structures sont les fluctuations quantiques du vide, modelées lors d'une phase d'expansion accélérée appelée « inflation ». Cette hypothèse radicale, qui suppose que tout élément structuré (galaxie, étoile, planète, être humain, etc.) procède de fluctuations quantiques dans l'Univers primordial, a été remarquablement confirmée par les mesures du fonds diffus cosmologique, lumière fossile que l'Univers a laissé échapper dans ses tout premiers instants. La possibilité que certaines de ces fluctuations anormalement grandes s'effondrent en trous noirs « primordiaux » a récemment reçu une attention accrue, car ces trous noirs pourraient constituer la matière noire de l'Univers. Nous reviendrons sur ces éléments clés de la cosmologie primordiale, et soulignerons quelques questions ouvertes qui constituent autant de pistes de recherche à explorer.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires01 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Les observations du secteur noirRésuméL'énergie sombre, ou la constante cosmologique Lambda, a été introduite par Einstein en 1917, pour décrire un modèle d'Univers statique. Très vite, Wolfgang Pauli essaie de l'interpréter comme l'énergie du vide quantique, extrapolé à l'Univers, mais s'aperçoit que les ordres de grandeur sont très loin de convenir. Plus tard, la masse manquante découverte dans les amas par F. Zwicky et dans les galaxies par V. Rubin donne lieu à de la matière noire exotique en 1984. De nombreuses expériences tentent de la détecter de façon directe ou indirecte depuis quarante ans. L'énergie sombre est redécouverte en 1998 par l'accélération de l'expansion. Des pistes pour résoudre la nature du secteur sombre seront mentionnées.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2023-2024Séminaire : Étoiles et trous noirs - Les amas globulairesIntervenant(s)Paola di MatteoObs-ParisRésumé : Les amas globulaires sont des systèmes formés de centaines de milliers, voire de millions, d'étoiles, tenues ensemble par la gravité. Longtemps considérés des systèmes très simples, formés d'étoiles ayant toutes le même âge et les mêmes propriétés chimiques, ils révèlent aujourd'hui une complexité qui reste encore inexpliquée. Dans notre Galaxie, plus de 150 amas globulaires sont recensés. Ils nous aident à comprendre la formation et l'évolution de la Voie lactée, ainsi que la façon dont la matière visible et noire y sont distribuées.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2023-2024Étoiles et trous noirs07 - Étoiles et trous noirs : Les amas d'étoiles, formation et dissolutionRésuméLes étoiles se forment en groupes. Les amas d'étoiles les plus courants se forment dans le disque des galaxies, ils sont jeunes, peu concentrés et ouverts. Ils se diluent et se défont rapidement. Il existe des amas bien plus riches et concentrés, fortement liés par leur gravité, les amas globulaires. Ils se forment dans des conditions violentes lors des interactions de galaxies, lorsque d'énormes quantités de gaz se choquent et se compressent. Dans notre galaxie, la plupart des amas globulaires ont peu à peu été détruits par interaction avec le disque, et par des queues de marée qui se sont accumulées dans le halo stellaire.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2023-2024Séminaire : Étoiles et trous noirs - Étoiles binaires XIntervenant(s)Sylvain ChatyUniversité de ParisRésumé : La majeure partie des étoiles massives vivent en couple. Souvent depuis leur naissance, elles vivent proches d'une autre étoile. Au cours de leur vie de couple, certains événements dans la vie d'une étoile vont les faire se rapprocher, tellement qu'elles vont s'échanger de la matière, un phénomène à l'origine d'une émission de rayons X, d'où leur nom. Et puis, à la fin de leur vie, elles vont fusionner, lors d'événements catastrophiques qui feront trembler l'univers tout entier. Ce sont ces étoiles en couples que nous allons découvrir lors de ce cours.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2023-2024Étoiles et trous noirs06 - Étoiles et trous noirs : Étoiles à neutrons et pulsarsRésuméAprès l'explosion d'une supernova, si le cœur restant ne dépasse pas 3 masses solaires, il peut rester en équilibre sous la forme d'une étoile à neutrons. C'est la pression de Pauli des neutrons dégénérés qui compense la gravité. L'explosion de la supernova du Crabe en 1054 a donné lieu à un tel astre, qui aujourd'hui tourne sur lui-même avec une période de 33 millisecondes. Sa densité est de l'ordre du milliard de tonnes par centimètre cube, et son cœur serait une purée de quarks.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2023-2024Séminaire : Étoiles et trous noirs - Physique des trous noirsIntervenant(s)Eric GourgoulhonObs-ParisRésuméApparu d'abord dans le champ théorique, le trou noir fait aujourd'hui partie du bestiaire standard de l'astrophysique. Après avoir introduit le concept de trou noir dans le cadre de la théorie relativiste de la gravitation – la relativité générale, nous passerons en revue les principales propriétés de ces objets. Nous discuterons ensuite des données observationnelles de plus en plus nombreuses, aussi bien en ondes électromagnétiques qu'en ondes gravitationnelles. Les premières ont récemment conduit à des images de l'environnement immédiat d'un trou noir, alors que les deuxièmes permettent de sonder la dynamique de ces objets. Dans les deux cas, de nouveaux tests de la gravitation relativiste deviennent possibles.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2023-2024Étoiles et trous noirs05 - Étoiles et trous noirs : Supernovae et trous noirsRésuméLes étoiles de masse supérieures à 8 masses solaires ont une durée de vie très courte sur la séquence principale, elles brûlent ensuite l'hélium, puis le carbone, l'oxygène, etc., jusqu'à avoir un cœur de fer et silicium. La fusion se poursuit dans des coquilles, jusqu'à l'implosion du cœur et l'expulsion explosive de toute l'enveloppe qui rejette les éléments lourds et enrichit le milieu interstellaire. Si le résidu est supérieur à 3 masses solaires, il s'effondre en trou noir. Certains peuvent être détectés s'ils ont conservé leur compagnon en binaire.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2023-2024Séminaire : Étoiles et trous noirs - Spectre de masse des étoilesIntervenant(s)Patrick HennebelleCEA SaclayRésuméLes étoiles jouent un rôle essentiel dans l'histoire de notre Univers. En effet, les étoiles synthétisent les éléments lourds tels par exemple que l'oxygène et le carbone qui sont essentiels au vivant. Par ailleurs, les étoiles injectent de l'énergie dans les galaxies sous forme de rayonnement et de mouvement. Enfin autour des étoiles orbitent des planètes dont la température peut être grandement affectée par le rayonnement de l'étoile. Or les caractéristiques des étoiles, tel que leur temps de vie ou encore leur luminosité, dépendent très sensiblement de leur masse. C'est pourquoi il est fondamental de connaitre la distribution en masse des étoiles. Combien y a t-il de « grosses étoiles » et combien de « petites » ? L'exposé s'efforcera de montrer les enjeux, les données observationnelles ainsi que les grandes idées qui pourraient expliquer la distribution de masse des étoiles.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2023-2024Étoiles et trous noirs04 - Étoiles et trous noirs : Les naines blanches et nébuleuses planétairesRésuméLes étoiles de masse inférieure à 8 masses solaires n'ont pas une température suffisante pour allumer la fusion du carbone, et terminent leur vie en naines blanches, cœurs compacts après éjection de leur enveloppe en nébuleuses planétaires. Le cœur est stabilisé contre l'effondrement gravitationnel par la pression quantique de Pauli, où les électrons sont dégénérés. Récemment, les diverses étapes de prénaines blanches ont pu être identifiées dans le diagramme HR par GAIA. Les nébuleuses planétaires ont des morphologies très variées, leur taille et leurs raies d'oxygène ionisé en font un traceur précieux de potentiel dans les galaxies.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2023-2024Séminaire : Étoiles et trous noirs - AstérosismologieIntervenant(s)Benoît MosserObservatoire de ParisRésuméDiverses missions spatiales de photométrie ultra-précise ont permis, depuis une quinzaine d'années, d'enrichir la physique stellaire par l'astérosismologie. L'écoute attentive des vibrations stellaires s'est révélée d'une richesse et d'une acuité insoupçonnées, permettant de contraindre la masse et le rayon des étoiles, de mesurer leur état évolutif ou leur rotation, d'estimer leur âge, de sonder les mécanismes à l'œuvre pour transporter matière et énergie du cœur vers la surface. Un état des lieux de ces observations et de leur moisson scientifique montrera combien ces nouvelles mesures sismiques sont cruciales pour la physique stellaire, mais aussi pour l'exoplanétologie et la physique galactique.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2023-2024Étoiles et trous noirs03 - Étoiles et trous noirs : Évolution sur la séquence principale, synthèse des métauxRésuméLes pics d'abondance des éléments observés dans le système solaire correspondent à des nombres magiques et à une stabilité accrue des noyaux. À part les éléments légers formés dans le Big-Bang, les éléments se forment tous dans les étoiles, la plupart hors de la séquence principale, lorsque l'hélium et au-delà le carbone, l'oxygène sont brûlés dans les diverses couches de l'étoile. Au-delà du fer, la formation des éléments est due à la capture de neutrons énergétiques soit dans les étoiles soit au cours de la fusion des étoiles à neutrons.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2023-2024Séminaire - Galaxies et trous noirs - Le champ magnétique des étoilesIntervenant(s)Coralie NeinerObservatoire de ParisRésuméLa plupart des étoiles ont un champ magnétique. Si l'étoile est froide, ce champ magnétique est dynamo, c'est-à-dire continuellement généré par l'étoile elle-même. Si l'étoile est chaude, le champ est d'origine fossile, c'est-à-dire une relique de la formation de l'étoile. La présence d'un champ magnétique a des effets très importants sur l'étoile elle-même, sa structure et son évolution, son environnement proche et les planètes autour. La spectropolarimétrie permet de mesurer et cartographier les champs magnétiques à la surface des étoiles pour mieux les comprendre.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2023-2024Étoiles et trous noirs02 - Étoiles et trous noirs : Physique des étoiles, selon leur masseRésuméDepuis 1914, les astronomes classent la grande diversité d'étoiles observées dans le ciel sur le diagramme HR (Hertzsprung-Russell) en fonction de leur température de surface et de leur luminosité. Les étoiles passent l'essentiel de leur vie sur la séquence principale, à fusionner l'hydrogène en hélium, ce qui apporte assez d'énergie pour compenser la gravité. Les étoiles de petite masse comme le Soleil ont une durée de vie de 10 milliards d'années, lorsque l'hydrogène est épuisé au centre, le cœur se concentre et l'enveloppe entre en expansion, pour devenir une géante rouge, puis en fin de vie une naine blanche. Les étoiles de grande masse ne durent que quelques millions d'années et explosent en supernovae. Les résultats du satellite GAIA, avec une statistique et une précision inégalées, ont permis des découvertes dans le diagramme HR.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2023-2024Séminaire - Galaxies et trous noirs - Sylvie Cabrit : Proto-étoiles et flots bipolairesIntervenant(s)Sylvie Cabrit, Obs-ParisRésuméLes premières étapes de formation d'une étoile s'accompagnent de puissantes et spectaculaires éjections de matière, dont l'origine est encore mystérieuse, mais qui semblent être un ingrédient essentiel du processus de formation stellaire. Je présenterai leurs caractéristiques principales, ainsi que les détails inédits de leur structure récemment révélés par les grands télescopes dans l'espace (HST, JWST) et au sol (ALMA, NOEMA). Je discuterai ensuite des différents scénarios envisagés pour leur origine, de leur impact sur la formation stellaire et planétaire, et des toutes dernières pistes de recherche à ce sujet.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2023-2024Étoiles et trous noirs01 - Étoiles et trous noirs : Formation des étoiles au cœur des nuages moléculairesRésuméLes nuages moléculaires, berceau de la formation d'étoiles, forment des structures self-similaires sur un grand domaine d'échelles. Ce sont des grumeaux et des filaments entre la taille du Système solaire et des centaines d'années-lumière. Cette hiérarchie de structures, soumise à la gravité, mais stabilisée par la turbulence et les champs magnétiques, va s'effondrer en cœurs froids, puis en étoiles, au centre d'un disque protostellaire, puis protoplanétaire, où naissent des embryons de planètes. La physique de ces processus est révélée par des observations de plus en plus performantes avec les télescopes dans l'espace (HST, JWST) ou au sol (ALMA).

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2022-2023Séminaire - Formation hiérarchique des galaxies - Andrea Cattaneo : Modèles semi-analytiquesAndrea Cattaneo, Observatoire de ParisLa formation des galaxies est un processus en deux étapes. L'instabilité gravitationnelle de fluctuations primordiales de densité forme les halos de matière noire. L'effondrement du gaz dans les halos de matière forme les galaxies lumineuses. La modélisation semi-analytique traite ces deux étapes séparément. D'abord, on construit des arbres de fusion pour suivre la croissance hiérarchique des halos de matière noire. Puis, on utilise des modèles analytiques pour décrire l'évolution des baryons dans les halos de matière noire. Nous décrirons le contexte dans lequel cette approche a été développée, les principales hypothèses et les observations que les modèles semi-analytiques cherchent à expliquer. Nous conclurons avec la présentation de quelques résultats récents.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2022-2023Modèle cosmologique, conditions initiales, instabilité gravitationnelle09 - Formation hiérarchique des galaxies : Histoire de la matière noireLes galaxies commencent à briller lorsque la matière ordinaire s'effondre dans les halos de matière noire pré-existants, et forment des étoiles. Au départ la fraction universelle de matière ordinaire est de 17 %, mais à cause des phénomènes de rétro-action de la formation stellaire (supernovae, vents stellaires), et aussi des noyaux actifs et trous noirs, la matière ordinaire est éjectée, pour ne représenter plus que 4 % de la masse des galaxies. Le destin des différentes composantes de matière sans l'Univers sera suivie en fonction du temps, par les observations et simulations.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2022-2023Séminaire - Formation hiérarchique des galaxies - Jonathan Freundlich : Les galaxies de la séquence principale au cours du tempsJonathan Freundlich, StrasbourgLes étoiles se forment à partir de gaz moléculaire froid dans les galaxies, au cœur des halos de matière noire. Toutefois, toutes les galaxies ne forment pas leurs étoiles de la même manière : à chaque époque, on peut distinguer d'un côté des galaxies activement en train de former des étoiles, les galaxies de la séquence principale, et de l'autre des galaxies qui ne forment que très peu d'étoiles, voire pas du tout. L'essentiel de la formation des étoiles dans l'Univers a eu lieu dans les galaxies de la séquence principale. Et tandis que notre Voie lactée ne forme que quelques masses solaires d'étoiles par an, les galaxies de la séquence principale, il y a dix milliards d'années, en formaient dix fois plus. À quoi ressemblent ces galaxies où a eu lieu l'essentiel de la formation des étoiles ? Comment évoluent-elles avec le temps ? En quelle mesure la formation des étoiles dépend de la quantité de gaz moléculaire disponible ? Pourquoi peuvent-elles arrêter de former des étoiles à un moment de leur histoire ?

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2022-2023Modèle cosmologique, conditions initiales, instabilité gravitationnelle08 - Formation hiérarchique des galaxies : Interactions et fusions de galaxies au cours du temps

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2022-2023Séminaire - Formation hiérarchique des galaxies - Frédéric Bournaud : Les galaxies en morceauxFrédéric Bournaud, CEA-SaclayLes galaxies actuelles possèdent des morphologies régulières et symétriques, en « spirale » ou « elliptiques ». Les dernières générations de télescopes ont montré que les galaxies primordiales, dans l'Univers lointain et jeune, ont des formes très différentes, irrégulières, le plus souvent fragmentées en quelques gros morceaux. Que sont ces mystérieux morceaux, des petites galaxies en train de s'assembler et fusionner pour former des galaxies plus massives, ou bien des traces de fragmentation de galaxies déjà massives ? D'après les simulations numériques, les deux mécanismes peuvent se produire dans l'Univers, et pourraient être à l'origine de la diversité des morphologies des galaxies actuelles dans la « Séquence de Hubble ».

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2022-2023Modèle cosmologique, conditions initiales, instabilité gravitationnelle07 - Formation hiérarchique des galaxies : La naissance de la séquence de Hubble

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2022-2023Séminaire - Formation hiérarchique des galaxies - Mathieu Bethermin : Le grand relevé ALPINEIntervenant(s) : Mathieu Bethermin, Marseille-Strasbourg

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2022-2023Modèle cosmologique, conditions initiales, instabilité gravitationnelle06 - Formation hiérarchique des galaxies : Amas et groupes de galaxies

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2022-2023Séminaire - Formation hiérarchique des galaxies - Marta Volonteri : La formation rapide des trous noirs à grand zIntervenant(s) : Marta Volonteri, IAPLe trou noir massif de la Voie lactée s'appelle Sagittarius A* et pèse 4 millions de fois la masse du Soleil. La plupart des galaxies ont leur propre trou noir massif, avec une masse ~ 1 000 fois plus petite que la masse de la galaxie. Nous pensons que ces trous noirs se sont formés dans les premières galaxies et ont grossi avec le temps. Leur évolution au cours du premier milliard d'années de l'Univers a préparé le terrain pour les 13 milliards d'années suivantes, mais certains de ces trous noirs se sont développés de manière spectaculaire en peu de temps, défiant notre compréhension.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2022-2023Modèle cosmologique, conditions initiales, instabilité gravitationnelle05 - Formation hiérarchique des galaxies : Noyaux actifs et quasars primordiaux

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2022-2023Séminaire - Formation hiérarchique des galaxies - Mirka Dessauges-Zavadsky : Galaxies amplifiées par les lentilles gravitationnellesIntervenant(s) : Dominique Aubert, StrasbourgÀ l'heure où on analyse les images tant attendues du télescope spatial James-Webb, je résumerai quelques découvertes de ces dernières décennies sur l'univers invisible, tel qu'on peut l'observer dans l'infrarouge. On discutera de l'éclairage que cette quête de l'univers invisible apporte sur les questions ouvertes de nos théories sur la formation des galaxies : la faible fraction de baryons dans les galaxies en apparente contradiction avec la très grande concentration de baryons dans les galaxies elliptiques, l'énigmatique universalité de l'espérance de vie des galaxies autour de 600 millions d'années, l'origine de la bimodalité et du downsizing, et le rôle des galaxies optiquement invisibles.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2022-2023Modèle cosmologique, conditions initiales, instabilité gravitationnelleLes galaxies à l'époque de réionization, milieu intergalactiqueLes galaxies dans le premier milliard d'années après le Big Bang sont certainement responsables de la réionisation de l'Univers. Nous connaissons mieux ces galaxies grâce au télescope spatial James-Webb. Certainement la réionisation sera impactée par les flambées de formation d'étoiles à cette époque et les rayons X émis dans les binaires.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2022-2023Séminaire - Formation hiérarchique des galaxies - Mirka Dessauges-Zavadsky : Galaxies amplifiées par les lentilles gravitationnellesIntervenant(s) : Mirka Dessauges-Zavadsky, GenèveÀ l'heure où on analyse les images tant attendues du télescope spatial James-Webb, je résumerai quelques découvertes de ces dernières décennies sur l'univers invisible, tel qu'on peut l'observer dans l'infrarouge. On discutera de l'éclairage que cette quête de l'univers invisible apporte sur les questions ouvertes de nos théories sur la formation des galaxies : la faible fraction de baryons dans les galaxies en apparente contradiction avec la très grande concentration de baryons dans les galaxies elliptiques, l'énigmatique universalité de l'espérance de vie des galaxies autour de 600 millions d'années, l'origine de la bimodalité et du downsizing, et le rôle des galaxies optiquement invisibles.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2022-2023Modèle cosmologique, conditions initiales, instabilité gravitationnelleOrigine des disques, des sphéroïdes – relations d'échelleQuelles sont les propriétés des galaxies lointaines ? Leur morphologie, leur contenu en gaz, leur taux de formation d'étoiles commencent à être connus, juste après le Big Bang. Ces propriétés seront comparées avec le résultat des simulations. Une des principales questions est de savoir comment stopper la formation d'étoiles, dans les galaxies aujourd'hui passives.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2022-2023Séminaire - Formation hiérarchique des galaxies - David Elbaz : Formation des galaxies : forces et faiblesses d'un nouveau paradigmeÀ l'heure où on analyse les images tant attendues du télescope spatial James-Webb, je résumerai quelques découvertes de ces dernières décennies sur l'univers invisible, tel qu'on peut l'observer dans l'infrarouge. On discutera de l'éclairage que cette quête de l'univers invisible apporte sur les questions ouvertes de nos théories sur la formation des galaxies : la faible fraction de baryons dans les galaxies en apparente contradiction avec la très grande concentration de baryons dans les galaxies elliptiques, l'énigmatique universalité de l'espérance de vie des galaxies autour de 600 millions d'années, l'origine de la bimodalité et du downsizing, et le rôle des galaxies optiquement invisibles.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2022-2023Modèle cosmologique, conditions initiales, instabilité gravitationnelleGalaxies à grand redshift (LyB, LAE…), histoire de la formation d'étoilesLes techniques d'identification des galaxies distantes seront décrites : cassure Lyman, chute du flux dans le bleu par absorption sur la ligne de visée. Notre connaissance actuelle des galaxies primordiales nous vient du télescope spatial Hubble et d'ALMA. Nous montrerons les premiers résultats du télescope spatial James-Webb, qui bouleverse nos connaissances de l'Univers primordial.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2022-2023Séminaire - Formation hiérarchique des galaxies - Yohan Dubois : Les simulations cosmologiquesLes simulations numériques sont un outil théorique indispensable pour comprendre la formation et l'évolution des galaxies à partir des fluctuations de matière primordiale. Dans cette présentation, nous détaillerons les processus physiques indispensables pour modéliser ces galaxies, et illustrerons leurs conséquences sur les propriétés de ces structures.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2022-2023Modèle cosmologique, conditions initiales, instabilité gravitationnelleAprès avoir mentionné les équations de Friedman, qui décrivent l'expansion de l'Univers, nous décrirons le modèle cosmologique standard, incluant matière noire et énergie noire, qui permettent d'expliquer la formation hiérarchique des galaxies. Les fluctuations primordiales, provenant de l'inflation, permettent la croissance des grandes structures. Leur développement sera décrit pas le régime linéaire des instabilités gravitationnelles.

Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2021 - 2022Les phénomènes variables en astrophysique : des sursauts gamma aux blazars

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