Mise à jour 14 Novembre 2018
CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF
« LA COSMOLOGIE APRÈS LES CINQ PREMIÈRES MINUTES. »
Par Sarah BOSMAN
Astrophysicienne Cambridge University College London
À TelecomParisTech 46 rue Barrault Paris 13.
Le Vendredi 9 Nov 2018 à 19H00
Amphi Thévenin
Photos : JPM pour l'ambiance
(les photos avec plus de résolution peuvent
m'être demandées
directement)
Les photos des slides sont de
la présentation de l'auteur. Voir les
crédits des autres photos et des animations.
La conférencière a eu la
gentillesse de nous donner sa présentation, elle est disponible sur
ma liaison ftp et se nomme :
SAF2018-BOSMAN.pptx qui se trouve dans le dossier CONF-MENSUELLES-SAF/
saison 2018-2019.
Attention fichier très lourd
(600MB) car il contient toutes les animations.
Ceux qui n'ont pas les mots de
passe doivent me
contacter avant.
Merci à BL pour ses notes.
Cette conférence a été filmée
en vidéo (grâce à UNICNAM et IDF TV, merci à Laurent Dongé) et est accessible
sur Internet
On la trouve à cette adresse https://www.youtube.com/playlist?list=PL1ZHG2CIuv2cEkZkSdVWs537dWQzJFd09
Une originalité à partir de
cette séance nous proposons un intermède musical pour faire attendre
agréablement le public.
Et tout ceci grâce à notre
artiste pianiste Bruno SOMMET que nous remercions.
Amphi archicomble pour un sujet pas facile !
Sarah Bosman
(26 ans) est astrophysicienne, elle a fait ses études (Master et Doctorat) à
Cambridge et a travaillé avec Stephen Hawking.
Elle est en poste à
l’University College London.
À quoi ressemblait donc notre
Univers dans le passé ?
Afin de le savoir, il faut se
pencher sur les observations et sur les simulations.
Les simulations basées sur des
super calculateurs ont l’avantage d’accélérer le temps.
Après les tout premiers
instants de l’Univers, deux grandes lois existent :
·
L’action de la
chaleur (dessin
de droite) et
·
L’action de la
gravité (dessin
de gauche).
L’équilibre entre ces deux
forces guide l’histoire de l’Univers.
L’Univers est composé alors de
deux ingrédients.
|
MATIÈRE ORDINAIRE |
MATIÈRE SOMBRE (ou
noire) |
|
Sensible à la force
de gravité |
Sensible à la force
de gravité |
|
Température très
élevée au départ, mais refroidit avec le temps |
Température basse
dès le départ et ne peut pas refroidir davantage. |
Une superbe simulation, au
début seule la matière sombre entre en jeu dans la toile cosmique, car la
matière normale est encore trop chaude.
Voir cette simulation du projet
CLUES de 2016.
http://www.clues-project.org/misc/movies/gas/B64_WM3_CDM_LG4096-gasevol.avi
Évolution de la densité du gaz
de z=41 à z= 0.
Pages des vidéos CLUES.
Voici aussi un autre exemple de
simulation, la
simulation Millenium de nos amis du MPA (Max Planck Institute for
Astrophysics) en Allemagne, elle est disponible par exemple sur
YouTube, à voir ou à
télécharger. 10 milliards de particules sont entrées dans cette simulation !
Elle ne contient que de la matière sombre.
(Une remarque : je me base sur
des comptes rendus précédents et d’informations en ma possession, ce ne sont pas
forcément les mots employés par la conférencière).
Puis vers les 380.000 ans après
le BB, la température baissant, l’Univers qui n’était qu’une soupe opaque de
particules, devient transparent, c’est le fameux épisode du CMB, bruit de fond
cosmologique.
L’Univers n’est plus ionisé, il
devient « calme » et TRANSPARENT, c’est la première lumière émise, que l’on
peut voir maintenant, mais étirée par l’expansion, je veux dire, le bruit de fond
cosmologique ou CMB.
Une belle représentation de l’histoire de l’Univers.
Curieusement suite à cette
première lumière, l’Univers devient sombre, il ne se passe rien pendant des
centaines de milliers d’années. Jusqu’à ce que les premières étoiles s’allument
donnant naissance à l’aube cosmique.
C’est ce que l’on appelle la
période de la recombinaison. L’Univers est devenu NEUTRE.
Il y a découplage entre matière
et rayonnement
Le deuxième acte va commencer
dans le noir. On entre en effet dans la période des
âges sombres.
Cette période a été
fondamentale dans l’histoire de l’Univers, la gravitation a commencé son action.
La température baisse,
l’Univers devient froid. La matière commence à s’agglomérer et on remarque que
l’Hydrogène atomique neutre HI commence à se (ré)ioniser, dû à la formation des
premières générations d’étoiles qui rayonnent dans l’Ultra-violet, ce
rayonnement provoquant l’ionisation (facile, peu d’énergie nécessaire) de H.
Ces premières étoiles avec leur
environnement d’Hydrogène ionisé, favorisent la formation de galaxies
primitives,
La matière noire s’effondre
avant les baryons, les premières galaxies sont donc des galaxies de matière
noire.
Les premières étoiles et les
premières galaxies vont former des sortes de « bulles d’Hydrogène ionisé », ces
bulles vont au cours du temps couvrir tout l’Univers jusqu’à ce qu’il soit
entièrement ionisé, nous sommes à approximativement 1 milliard d’années.
L’Univers est entièrement
IONISÉ. On dit aussi que c’est l’époque de la réionisation.
Une belle simulation nous est
proposée, EAGLE (acronyme de Evolution
and Assembly of GaLaxies and their Environments).
Visible uniquement sur Vimeo :
https://vimeo.com/72220338
La couleur est proportionnelle
à la température. Le rouge correspond approx à 100.000 K alors que le blanc
correspond à approx 100 millions K. le gaz est chauffé à de telles températures
grâce aux chocs d’accrétion gravitationnelle.
La simulation a été effectuée
sur le calculateur COSMA-5 de l’Université Durham (Grand Bretagne).
C’est une création de
Rob Crain et Jim
Geach.
Puis, peuvent enfin de former
les étoiles, mais les premières sont très différentes des suivantes.
Elles détruisent le gaz qui
remplit l’Univers, le rendant transparent.
On voit sur cette simulation la
formation d’une de ces étoiles par effondrement d’un nuage moléculaire.
vidéo :
Le nuage a une taille au départ
de 1,2 al et une température de 10 K, sa masse est de 50 fois celle du Soleil.
Le nuage s’effondre rapidement
sous son propre poids et très rapidement une étoile se forme. Autour de cette
étoile des disques de matière formeront peut-être plus tard des systèmes
planétaires.
Simulation effectuée par
Matthew Bates et ses collègues Ian Bonnell et Volker Bromm.
Cette simulation a consommé
100.000 heures de calcul tournant sur 64 processeurs (10 millions de milliards
d’opérations !).
Une simulation de cette époque
de la réionisation :
On voit l’illustration d’une
réionisation graduelle d’un volume typique d’Univers.
Les régions bleues indiquent
les zones chaudes et ionisées autour des galaxies.
Elles grossissent au fur et à
mesure que les galaxies grossissent, éventuellement elles fusionnent et ionisent
l’Univers complètement.
Le cube a un côté de 200
millions d’al, et la simulation concerne seulement les premiers milliards
d’années de l’Univers.
Crédit Simulation : Marcelo
Alvarez (CITA), Tom Abel (Stanford)
Crédit Visualisation : Marcelo
Alvarez, Ralf Kaehler (Stanford), Tom Abel
Les premières galaxies sont
juste de tout petits groupes d’étoiles qui se regroupent de façon chaotique.
On figure ici des zooms entre
les grandes structures, le gaz et les étoiles dans un disque galactique.
Finalement au bout de quelques
milliards d’années, l’Univers commence à ressembler à ce que l’on connait.
Le Soleil a eu
vraisemblablement des sœurs qui évoluent aujourd’hui dans son voisinage, à la
manière des Pléiades
Les Pléiades viennent de
terminer de détruire (en l’absorbant) leur nuage moléculaire originel
Il y a entre 40 et 100.000
milliards étoiles dans la Voie Lactée
Les protogalaxies étaient
spirales
Les galaxies spirales se
forment après de nombreuses collisions.
On voit ici
une simulation d’une collision (qui
formera plus tard la galaxie des Antennes).
Les galaxies assemblées, l’ère
des super amas (de galaxies) commence.
C’est, comme le dit la
conférencière, l’âge d’or de la formation des étoiles.
On peut voir sur ce film mp4
(clic sur l’image ci-après pour le lancer) une évolution depuis un z=4 à z=0
menant à une galaxie massive elliptique, due à des rencontres multiples vers
z=1.
À gauche du panneau il y a la
lumière des étoiles et à droite la densité du gaz, d’une région d’approx 1 Mpc
de côté.
Nous sommes maintenant à la
moitié de l’âge de l’Univers
Notre Voie Lactée n’est pas
dans un super amas, nous sommes dans le Groupe Local.
Le super amas le plus proche
est celui de la Vierge.
Les planètes vont se former et
la chimie des planètes est fonction de la chimie de leurs étoiles naines,
moyennes, géantes.
Ce sont surtout les
étoiles moyennes
qui sont les plus contributrices à la formation de tous les éléments.
Le carbone est passé par au
moins 3 étoiles de précédentes générations, voire 5, grâce à leurs nuages
moléculaires
Je me posais la question de
savoir pourquoi les étoiles naines étaient si peu efficaces.
La réponse S Bosman :
La raison pour laquelle les
étoiles naines n'ont pas ou presque pas contribué à la création des éléments
dont nous sommes constitués, c'est parce que ces éléments sont emmagasinés au
centre des étoiles pendant leur vie.
C'est uniquement au
moment de leur mort
(par supernova ou éjection des couches supérieures) que ces éléments retournent
vers l'environnement galactique où ils peuvent servir à la formation de
planètes.
Les étoiles naines les plus
petites (rouges) n'ont simplement
pas encore eu le temps
de mourir depuis leur création qui a commencé il y a 13 milliards
d’années ; elles n'ont fait qu'emmagasiner ces éléments.
Même une naine jaune comme le
Soleil n'aurait eu qu'à peine assez de temps pour atteindre la fin de sa vie
entre le début de la formation d’étoiles et l'époque de la formation de la
Terre.
Il ne suffit donc pas de créer
les éléments par fusion ; il faut aussi qu'un nombre suffisant d’étoiles
productrices relâchent leurs éléments lors de leur mort.
La physique de la formation des
planètes est encore extrêmement compliquée et très mystérieuse.
Avec ALMA on voit maintenant
des nuages de proto étoiles en formation
Le réseau ALMA (Atacama Large
Millimeter/submillimeter Array) vient de révéler avec une précision énorme les
détails d’un disque protoplanétaire autour d’une jeune étoile proche, située à
450 al.
Ce sont les premières
observations effectuées avec ALMA dans sa configuration quasi finale, et ce sont
les images les plus précises jamais réalisées dans les longueurs d’ondes
submillimétriques.
Ces nouveaux résultats
représentent un pas énorme dans l’observation du développement des disques
protoplanétaires et de la formation planétaire.
En lumière visible, HL Tauri
est cachée derrière une enveloppe massive de poussière et de gaz.
ALMA observe dans de plus
grandes longueurs d’onde, ce qui lui permet d’étudier les processus directement
au cœur de ce nuage
L’Univers contemporain
maintenant, la Galaxie tourne lentement sur elle-même, les éléments continuent à
être produits, de nouvelles planètes existent dont la Terre.
Le Cosmos contemporain arrive
avec l’apparition de la Terre (4,567 milliards d’années)
Nous sommes au bout de
l’Histoire en ayant traversé toutes les couches historiques
L’existence de la matière noire
est sûre, démontrée par l’observation. Il n’y a plus de doute. Ce n’est pas une
aberration de théorie contrairement à ce que l’on dit encore.
Nombreuses questions pour
donner suite à cette brillante conférence. Sarah a répondu à toutes.
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POUR ALLER PLUS
LOIN :
Les publications de Sarah
Bosman :
https://www.ucl.ac.uk/astrophysics/people/sarah-bosman
les grands sondages de l'Univers :
CR de la conférence de O Lefèvre du LAM à l'IAP le4 Dec 200
Matière noire et simulations
Univers :
CR de la conf SAF (Cosmologie) du 14 Mai 2011.
Recherche de la matière noire :
CR de la conf SAF (Cosmologie) avec M Cirelli du 16 Dec. 2017
La fin des ages sombres : CR de la conférence SAF de M Langer de l'IAS le 17
Mars 2007
Signatures et contraintes de la matière noire tiède : formation étoiles, 21cm,
premières galaxies par A. Fialkov.
Formation of stars à
l’Université de Leicester.
Matthew Bate's Research webpage.
How the First Stars start Reionization
Projet ILLUSTRIS et sa
page média (photos et
vidéos).
Revolutionary ALMA Image Reveals Planetary Genesis
On peut aussi consulter pour
une vue globale sur le BB ma
présentation donnée aux RCE 2018.
Prochaine conférence mensuelle de la SAF à TeleComParistech :
Vendredi 14 Décembre
2018 19H00
CONFÉRENCE d’Olivier WITASSE Planétologue ESA
SUR « LA
MISSION JUICE VERS LES LUNES GLACÉES DE JUPITER. »
Réservation à partir du 10 Nov 2018
Entrée
libre mais
réservation
obligatoire. (Vigipirate)
Bon ciel à tous
Jean Pierre
Martin Président
de la commission de cosmologie de la SAF
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