L origine des éléments légers dans l Univers

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1 L origine des éléments légers dans l Univers BRARD Guillaume HÉBRARDH Institut d Astrophysique de Paris 28 septembre 2006 Commission cosmologie Société Astronomique de France, Paris

2 Les atomes

3 Tableau périodique des éléments (Table de Mendeleïev ) Les éléments légers

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5 Tableau périodique des éléments simplifié pour astronomes He «métaux»

6 Créer les noyaux atomiques : nucléosynthèse Trois processus distincts : Nucléosynthèse primordiale Nucléosynthèse stellaire Réactions de spallation dans le gaz interstellaire

7 Nucléosynthèse primordiale p + n 2 D + γ T > 10 9 K George Gamow (1946)

8 Nucléosynthèse primordiale p + n 2 D + γ T < 10 9 K 2 D + p 3 He + γ 2 D + 2 D 3 He + n 2 D + 2 D 3 H + p 2 D + 2 D 4 He + γ 3 H + 2 D 4 He + n 3 H + 4 He 7 Li + γ 3 He + n 3 H + p 3 He + 2 D 4 He + p 3 He + 4 He 7 Be + γ 7 Li + p 4 He + 4 He 7 Be + n 7 Li + p 7 Be + e - 7 Li + ν e

9 Courbes «abondances / densité» Abondance après le Big Bang (par rapport à l hydrogène) Abondance primordiale η = nombre de baryons nombre de photons densité baryonique moyenne de l Univers η = densité de l Univers

10 Courbes «abondances / densité» Abondance primordiale η = densité de l Univers

11 η = densité de l Univers Matière lumineuse Matière baryonique Matière gravitante Ω = 1 Expansion Ω LUM Ω B Ω DYN Ω = 1 Ω < 3 Abondance primordiale

12 Vangioni-Flam et al. (2000) Peimbert 2000 Izotov & Thuan He Olive et al CMB Webb et al Burles, Tytler, O Meara et al. D Vauclair & Charbonnel Li Bonifacio et al. 1997

13 Nucléosynthèse stellaire Chaîne p-p p + p D D + p 3 He 3 He + 3 He 4 He + p + p Phases terminales des étoiles Au delà de 4 He (C, N, O ) Supernovae Au-delà du fer métallicité

14 30 % 28 % 26 % 24 % 22 % Abondance 20 % de l hélium 30 % 28 % 26 % 24 % 22 % 20 %

15 Réactions de spallation dans le gaz interstellaire Réactions de spallation entre un proton des rayons cosmiques et un noyau lourd du gaz interstellaire

16 Isotope D 3 He 4 He Li Be B Abondance 0,001 % 0,001 % 10 % 10-7 % 10-9 % 10-8 % Origine présumée Big Bang Big Bang Étoiles Big Bang Étoiles Big Bang Étoiles Spallation Spallation Spallation Isotope D 3 He 4 He Li Be B Évolution de l abondance?

17 Comment réalise-t-on ces mesures d abondances? spectroscopie

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19 Hydrogène (H) Deutérium (D) Hydrogène moléculaire (H 2 ) Carbone (C) Azote (N) Oxygène (O) Fer (Fe)?H + C + N + O

20 Hydrogène (H) Deutérium (D) Hydrogène moléculaire (H 2 ) Carbone (C) Azote (N) Oxygène (O) Fer (Fe) Spectre du Soleil? H + C + N + O

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22 Isotope D 3 He 4 He Li Be B Abondance 0,001 % 0,001 % 10 % 10-7 % 10-9 % 10-8 % Origine Présumée Big Bang Big Bang Étoiles Big Bang Étoiles Big Bang Étoiles Spallation Spallation Spallation Isotope D 3 He 4 He Li Be B Évolution de l abondance?

23 Courbes «abondances / densité» Abondance primordiale η = densité de l Univers

24 Trois types de mesure d abondance du deutérium : Primordiale (14 milliards d années) Proto-solaire (4,5 milliards d années) Époque actuelle (0 milliard d année!) 3 / / / Quasars Système Solaire Milieu interstellaire Temps (milliards d années)

25 Raie D I à 92 cm D/H = ( 3,9 ± 1,0 ) x 10-5

26 D dans les molécules (1973) HD, DCN, CH 3 D D/H = (fractionnement moléculaire)

27 Deuterium Balmer series D H (10 5 )

28 Série de Lyman Raies d absorption interstellaires Flux Longueur d onde Densité de colonne (cm - 2 ) Vitesse radiale (km/s) Température ( K) Vitesse de turbulence (km/s) } b 2 = ( 2kT / M ) + v turb 2

29 Raie Lyman alpha Flux Deutérium Hydrogène } ultraviolets Longueur d onde (Å)

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32 La transparence de l atmosphère Raies du deutérium

33 Deux télescopes pour l ultraviolet : FUSE et le Télescope Spatial Hubble FUSE Hubble

34 FUSE Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer

35 Un des quatre réseaux holographiques courbés s de FUSE Ces réseaux ont été réalisés et testés en France. Leur taille est de 26,6 x 27,5 cm (dispersion x spatial). Leur densité de traits est 5767 tr/mm (SiC) ou 5350 tr/mm (LiF). Domaine spectral : de 900 à 1200 Å. Résolution spectrale : 15 km/s.

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37 1360 kg 1,2m 1,8m 5,5m

38 Simulateur d environnement spatial

39 24 juin :44 Cap Canaveral Fusée Delta II

40 Orbite circulaire de 768 km d altitude, inclinée à 25 degrés et de 100 minutes de période. Coût total : environ 250 millions de dollars

41 Exemple de spectre FUSE

42 Série de Lyman de l hydrogène Longueur d onde (Å)

43 Exemple de spectre FUSE

44 Azote N I N I N I N I Longueur d onde (Å)

45 Exemple de spectre FUSE

46 Deutérium D I O I H I Longueur d onde (Å)

47 Exemple d ajustement de raie pour mesurer une abondance D Flux Longueur d onde (Å)

48 Milieu interstellaire local Milieu interstellaire distant longueur d onde (Å) longueur d onde (Å)

49 Observations FUSE (juin janvier 2005) Système solaire Étoiles chaudes Étoiles froides Étoiles variables Nébuleuses Galaxies

50 vendredi 22 septembre 2006

51 D/H D/O

52 primordial pré-solaire Époque actuelle 3 / / / Temps (milliards d années)