Galaxies et cosmologie – Françoise Combes

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

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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.

Françoise Combes

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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.

Françoise Combes

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Galaxies et cosmologie

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.

Françoise Combes

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Galaxies et cosmologie

Année 2023-2024

Séminaire - Galaxies et trous noirs - Le champ magnétique des étoiles

Intervenant(s)

Coralie Neiner

Observatoire de Paris

Résumé

La 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 Combes

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Galaxies et cosmologie

Année 2023-2024

Étoiles et trous noirs

02 - Étoiles et trous noirs : Physique des étoiles, selon leur masse

Résumé

Depuis 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 Combes

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Galaxies et cosmologie

Année 2023-2024

Séminaire - Galaxies et trous noirs - Sylvie Cabrit : Proto-étoiles et flots bipolaires

Intervenant(s)

Sylvie Cabrit, Obs-Paris

Résumé

Les 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 Combes

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Galaxies et cosmologie

Année 2023-2024

Étoiles et trous noirs

01 - Étoiles et trous noirs : Formation des étoiles au cœur des nuages moléculaires

Résumé

Les 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 Combes

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Galaxies et cosmologie

Année 2022-2023

Séminaire - Formation hiérarchique des galaxies - Andrea Cattaneo : Modèles semi-analytiques

Andrea Cattaneo, Observatoire de Paris

La 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 Combes

Collège de France

Galaxies et cosmologie

Année 2022-2023

Modèle cosmologique, conditions initiales, instabilité gravitationnelle

09 - Formation hiérarchique des galaxies : Histoire de la matière noire

Les 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 Combes

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Galaxies et cosmologie

Année 2022-2023

Séminaire - Formation hiérarchique des galaxies - Jonathan Freundlich : Les galaxies de la séquence principale au cours du temps

Jonathan Freundlich, Strasbourg

Les 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 Combes

Collège de France

Galaxies et cosmologie

Année 2022-2023

Modèle cosmologique, conditions initiales, instabilité gravitationnelle

08 - Formation hiérarchique des galaxies : Interactions et fusions de galaxies au cours du temps

Françoise Combes

Collège de France

Galaxies et cosmologie

Année 2022-2023

Séminaire - Formation hiérarchique des galaxies - Frédéric Bournaud : Les galaxies en morceaux

Frédéric Bournaud, CEA-Saclay

Les 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 Combes

Collège de France

Galaxies et cosmologie

Année 2022-2023

Modèle cosmologique, conditions initiales, instabilité gravitationnelle

07 - Formation hiérarchique des galaxies : La naissance de la séquence de Hubble