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Françoise Combes
Collège de France
Galaxies et cosmologie
Année 2024-2025
Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires
Séminaire -Silvia Galli - Les contraintes du fond diffus cosmologique
Intervenant(s) :
Silvia Galli
IAP, Paris
Résumé :
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.
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Galaxies et cosmologie
Année 2024-2025
Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires
05 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Contraintes sur l'énergie noire
Résumé
Plus 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.
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Galaxies et cosmologie
Année 2024-2025
Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires
Séminaire - Julien Lavalle - Nouvelles particules et détection indirecte
Intervenant(s) :
Julien Lavalle
LUPM-Montpellier
Résumé :
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.
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Galaxies et cosmologie
Année 2024-2025
Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires
04 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Candidats possibles pour la matière noire
Résumé
Il 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.
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Galaxies et cosmologie
Année 2024-2025
Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires
Séminaire - Nabila Aghanim - Distribution de la matière à grande échelle
Intervenant(s) :
Nabila Aghanim
IAS-Orsay
Résumé :
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.
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Année 2024-2025
Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires
03 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - La matière noire à l'échelle des groupes et amas
Résumé
Dans 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.
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Année 2024-2025
Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires
Séminaire - Jonathan Freundlich - Défis à l'échelle des galaxies et alternatives à la matière noire froide
Intervenant(s) :
Jonathan Freundlich
Observatoire de Strasbourg
Résumé :
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.
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Galaxies et cosmologie
Année 2024-2025
Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires
02 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - La matière noire à l'échelle des galaxies
Résumé
Dans 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.
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Galaxies et cosmologie
Année 2024-2025
Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires
Séminaire - Vincent Vennin - Inflation et trous noirs primordiaux
Intervenant(s) :
Vincent Vennin
ENS-Paris
Résumé :
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.
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Galaxies et cosmologie
Année 2024-2025
Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires
01 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Les observations du secteur noir
Résumé
L'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.
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Galaxies et cosmologie
Année 2023-2024
Séminaire : Étoiles et trous noirs - Les amas globulaires
Intervenant(s)
Paola di Matteo
Obs-Paris
Résumé :
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.
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Françoise Combes
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Galaxies et cosmologie
Année 2023-2024
Étoiles et trous noirs
07 - Étoiles et trous noirs : Les amas d'étoiles, formation et dissolution
Résumé
Les 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.
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Galaxies et cosmologie
Année 2023-2024
Séminaire : Étoiles et trous noirs - Étoiles binaires X
Intervenant(s)
Sylvain Chaty
Université de Paris
Résumé :
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.
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Galaxies et cosmologie
Année 2023-2024
Étoiles et trous noirs
06 - Étoiles et trous noirs : Étoiles à neutrons et pulsars
Résumé
Après 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.
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Galaxies et cosmologie
Année 2023-2024
Séminaire : Étoiles et trous noirs - Physique des trous noirs
Intervenant(s)
Eric Gourgoulhon
Obs-Paris
Résumé
Apparu 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.
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Galaxies et cosmologie
Année 2023-2024
Étoiles et trous noirs
05 - Étoiles et trous noirs : Supernovae et trous noirs
Résumé
Les 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.
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Galaxies et cosmologie
Année 2023-2024
Séminaire : Étoiles et trous noirs - Spectre de masse des étoiles
Intervenant(s)
Patrick Hennebelle
CEA Saclay
Résumé
Les 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.
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Galaxies et cosmologie
Année 2023-2024
Étoiles et trous noirs
04 - Étoiles et trous noirs : Les naines blanches et nébuleuses planétaires
Résumé
Les 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.
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Galaxies et cosmologie
Année 2023-2024
Séminaire : Étoiles et trous noirs - Astérosismologie
Intervenant(s)
Benoît Mosser
Observatoire de Paris
Résumé
Diverses 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.
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Françoise Combes
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Année 2023-2024
Étoiles et trous noirs
03 - Étoiles et trous noirs : Évolution sur la séquence principale, synthèse des métaux
Résumé
Les 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.
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