Galaxies et cosmologie - Françoise Combes

Françoise Combes

Collège de France

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.

Françoise Combes

Collège de France

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.

Françoise Combes

Collège de France

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.

Françoise Combes

Collège de France

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.

Françoise Combes

Collège de France

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.

Françoise Combes

Collège de France

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.

Françoise Combes

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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.

Françoise Combes

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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.

Françoise Combes

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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.

Françoise Combes

Collège de France

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.