Au début du XX ème siècle. Au cours du XX ème siècle. A l aube du XXI ème siècle

Transcription

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2 Au début du XX ème siècle Passage du concept d un Univers STATIQUE à celui d un Univers en ÉVOLUTION Au cours du XX ème siècle Profonde révision DE LA NATURE du contenu de l Univers A l aube du XXI ème siècle Vers une nouvelle physique?

3 L ÉNERGIE DANS L UNIVERS, à grande échelle Énergie noire 69.3 % Baryons 4.8 % seulement 0.48 % visibles Neutrinos 0. % Matière noire 5.7 % Planck 013

4 L ÉNERGIE DANS L UNIVERS, à grande échelle Contenu énergétique à l échelle de de l Univers, soit L > 100 Mpc Énergie sombre : ρ Λ = g cm 3 = kev cm 3 Matière noire : ρ MN = g cm 3 = 1. 5 kev cm 3 Baryons : ρ B = g cm 3 = ev cm 3 Photons (CMB) : ρ γ = ev cm 3 Neutrinos (3 espèces) ρ ν = g cm 3 = ev cm 3 Planck 013

5 La Galaxie observée à plusieurs longueurs d ondes

6 L énergie dans l univers, à l échelle des galaxies Contenu énergétique à l échelle de la Galaxie L 30 kpc En termes de densité d énergie i.e. de pression : P gaz Plusieurs phases en équilibre de pression approximatif Emission X du gaz ionisé chaud (T 10 6 K) Continuum Distribution radio du du du gaz gaz gaz moléculaire atomique (T ionisé tiède (T 80 K) (T 10 10K) 4 K)

7 Distribution du gaz à l échelle de la Galaxie Emission X du gaz ionisé chaud (T 10 6 K) Continuum radio du gaz ionisé tiède (T 10 4 K) Distribution du gaz atomique (T 80 K) Distribution du gaz moléculaire (T 10 K)

8 L énergie dans l univers, à l échelle des galaxies Vazquez-Semadeni 01 Contenu énergétique à l échelle de la Galaxie L 30 kpc En termes de densité d énergie i.e. de pression : P gaz Plusieurs phases en équilibre de pression approximatif de l ordre de 1 ev cm 3 5.0

9 L énergie dans l univers, à l échelle des galaxies Contenu énergétique à l échelle de la Galaxie L 30 kpc P turb La pression turbulente 1 3 ρ v domine localement P gaz Les filaments, induits par la turbulence, ont une taille transverse de 0.3 pc : en dessous de cette échelle, la turbulence est subsonique P turb < P gaz Image obtenue avec la caméra SPIRE d HERSCHEL en direction du nuage interstellaire de Polaris,qui ne montre aucune formation d étoiles. Les cœurs préstellaires se forment dans les filaments dans les régins dominées par la gravité.

10 L énergie dans l univers, à l échelle des galaxies Dispersion de vitesse non thermique et masse des nuages moléculaires en fonction de leur taille (Hennebelle & Falgarone 013)

11 L énergie dans l univers, à l échelle des galaxies En retenant les lois d échelle dans le gaz moléculaire: Masse - Taille M 1 M ~100 L 1pc Dispersion de vitesse non thermique - Taille Δv NT 1 km s 1 ~ L 1pc 1 Il apparaît que la densité d énergie turbulente est indépendante de l échelle: P turb = 1 3 ρ v NT ~ 3 ev cm 3

12 L énergie dans l univers, à l échelle des galaxies Émission intégrée de la raie CO d un cœur moléculaire dense du nuage Polaris. Falgarone et al. 009 En retenant ces mêmes lois d échelle dans le gaz moléculaire il apparaît de même que la densité d énergie gravitationnelle est indépendante de l échelle: P grav = ζ GM L 4π 3 L3 ~ 3 ev cm 3

13 L énergie dans l univers, à l échelle des galaxies Contenu énergétique à l échelle de la Galaxie L 30 kpc En termes de densité d énergie i.e. de pression : P gaz ~ P turb ~ P mag Vecteurs polarisation de la lumière émise par les étoiles, superposés à une carte de l émission 13 intégrée de CO 1 0 du nuage moléculaire du Taureau (Chapman et al. 011)

14 L énergie dans l univers, à l échelle des galaxies Composante B z du champ magnétique sur la ligne de visée et l incertitude à 1σ, en fonction de la densité du gaz n(h) = n(hi) ou n(h). Intensité du champ magnétique interstellaire déduite des mesures Zeeman dans les raies de HI, OH et CN, en fonction de la colonne densité N H n H dr. (Crutcher ae al. 010) Densité d énergie magnétique: P mag ~1 ev cm 3 en dehors des cœurs denses moléculaires i.e. N H 10 1 cm

15 L énergie dans l univers, à l échelle des galaxies Mathis & al Le champ de rayonnement interstellaire à 5 kpc et 10 kpc du centre galactique Le domaine UV visible proche infrarouge est produit par les étoiles de différents types. L infrarouge moyen et l infrarouge lointains est émis par les poussières Densité d énergie du rayonnement interstellaire: P phot = 4π c hν I hν dhν = 0. 5 ev cm 3

16 L énergie dans l univers, à l échelle des galaxies Le spectre du rayonnement cosmologique obtenu par le satellite COBE. COBE Densité d énergie du rayonnement diffus cosmologique (T =. 755 K) P CMB = 4π c hν I hν dhν = 0. 6 ev cm 3

17 L énergie dans l univers, à l échelle des galaxies Contenu énergétique à l échelle de la Galaxie L 30 kpc P gaz ~ P turb ~ P phot. ~ P mag ~ P phot ~ P CMB ~ P RC Simulation AIRES Pierre AUGER Observatory

18 L énergie dans l univers, à l échelle des galaxies Shen 004 J. Tjus 01. Tapez une équation ici. Flux de différents éléments dans le milieu interstellaire 1 MeV 10 5 MeV E p dnp de p GeV cm s 1 sr 1 Densité d énergie du rayonnement cosmique : P RC = 4π c Ef E de = 0. 8 ev cm 3 log 10 (E p 1 GeV) Spectre observé d énergie du rayonnement cosmique 100 GeV

19 Évolution de la matière A l échelle cosmologique, l univers est passé d un état pratiquement homogène Le fond diffus cosmologique vu par Planck à un état fortement hétérogène Vue panoramique de la distribution des galaxies (1,5 millions de galaxies) Catalogues - «Mass» - «Point Source Catalogue» ( étoiles) La formation d une étoile correspond à un facteur de compression de la matière de l ordre de par rapport à la densité moyenne actuelle de l univers... de 10 4 par rapport à celle du gaz interstellaire.

20 LES RESSORTS DE L ACTION Gm p / c Gravitationnelle... G... 1 GeV / nucléon W g 3 Wme e / Faible MeV / nucléon e / c Électromagnétique ev / nucléon g s / c Forte MeV / nucléon S 13 novembre 009 Fête de la Science - 1 Sanguinet

21 Le rôle de la gravité La gravité collecte la matière à l échelle de l instabilité gravitationnelle. Relation de dispersion de Jeans: ω = k c s,0 4πGρ 0 λ J = πkt μgρ 0 1 M J π 48 ρ 0λ J 3 = 1 1 π3 P 0 G 1 RJ Que se passe-t-il après?... pas grand chose, si la gravité est seule en lice.

22 Le rôle de la gravité L état dynamique d un système est caractérisé par le théorème du viriel: Énergie potentielle gravitationnelle K + Ω + M 3P ext V = 1 I Rudolf Clausius M= V B 8π dv Énergie cinétique microscopique +mésoscopique S r P ds P = P th + B 8π I + 1 4π BB

23 / / P G r R / / P G m M Température donnée 0 I I 0 0 I I r m m r T >T 1 T 1 Log M Log R 1 3 Conséquences du théorème du viriel Pression extérieure uniforme

24 Équilibre d une sphère polytropique Pour une équation d état polytropique, i.e. p ρ 1 n (n est l indice polytropique) la loi masse/rayon des systèmes au seuil de l instabilité d Ebert-Bonnor est: M = 8π n + 1 n 3 1 P0 G 1 R T T En principe, tous les systèmes tels que 1 n 3 sont inconditionnellement gravitionnellement stables (différence avec l approche de Jeans) A priori, si seule la gravité est en lice, les systèmes évoluent adiabatiquement... n = 1. 5!

25 Le rôle de l interaction électromagnétique La gravité n est pas en mesure de réaliser une compression élevée de la matière Au cours du processus de formation des étoiles, l entropie par baryon décroît d environ S b ~50k B Dans l univers, les régions de formation des structure (galaxies, nuages interstellaires, étoiles, objets compacts...) sont celles où l entropie décroît fortement Le rôle majeur de l interaction électromagnétique est d évacuer l énergie thermique... dans un univers en expansion

26 Le rôle de l interaction électromagnétique exemple d un objet isolé: dans une phase dévolution quasistatique : 3P 0 V K et 3P 0 V I ~0 dk dt + dω dt 0 Énergie cinétique micro/mésoscopique dk dt + dω dt = de dt = L < 0 Luminosité totale de l objet L dk dt = L > 0 Conséquence...

27 Le cycle thermique de la matière dans une galaxie dq dt = n en H Λ T X ou n H Λ T X erg cm 3 s 1 C + Line (solid) and continuum (dashed) cooling (Gaetz & Salpeter 1983) Courbe de refroidissement de Dalgarno & Mc Cray (197)

28 Conséquence: le taux de formation d étoiles En définissant la distribution en température du gaz interstellaire dm dt «masse de gaz interstellaire contenu dans le volume V et dont la température est comprise entre Tet T + dt» Tapez une équation ici. Cascade de refroidissement isobare, alimentée par les restes de supernovæ dt Taux de formation d étoiles dt = 5 μ k P0 Λ T, X T Φ = r 5 μ k P 0 G X

29 Gravitationnel Inertiel Magnétique Densité g cm solide 1/ air ambiant Température K 10 cœur du Soleil 10 cœur du Soleil Temps de Confinement ans 100 ps 5 s Pression atm 1Tatm 1 - atm Jean-Pierre CHIÈZE

30 Le rôle de l interaction nucléaire La solution... la production d énergie thermonucléaire. Energie cinétique micro/méso-scopique L dk d 1 I dt dt dk d( Mc ) dt dt dk dt L d dt d( Mc dt de dt ) Luminosité totale de l étoile - L 0 0

31 La production d énergie thermonucléaire dans les étoiles Taux de production d énergie : 0, W g 1 Jean-Pierre CHIÈZE

32 Étapes majeures de combustion thermonucléaire Jean-Pierre CHIÈZE

33 Les étapes de combustion et de nucléosynthèse Rôles respectifs de l interaction faible et de l interaction forte Les supernovae et leur impact sur le milieu interstellaire Retour sur le cycle de la matière Conclusion générale Jean-Pierre CHIÈZE