Galaxies et cosmologie - Françoise Combes
Collège de France
La chaire s'intéresse à tous les aspects de la formation des structures dans l'Univers, à partir de l'instant initial du Big Bang, où l'Univers était très homogène. Au XXIe siècle, la cosmologie est devenue une science de précision, où le taux d'expansion de l'Univers, et son accélération sont connus, sa courbure nulle et son contenu en matière et énergie ont été mesurés avec précision. Pourtant, il n'y a que 5 % de matière ordinaire, et 95 % de secteur noir, dont 25 % de matière noire et 70 % d'énergie sombre. De nombreux modèles alternatifs viennent défier le modèle standard de matière noire froide, qui rencontre beaucoup de problèmes pour expliquer les galaxies.L'existence des galaxies n'a été établie qu'en 1926. Auparavant, les astronomes ne disposaient pas de bons indicateurs de distance, et confondaient les nuages de la Voie lactée, et les galaxies extérieures à la nôtre, tous appelés « nébuleuses ». L'expansion de l'Univers, et la loi de Hubble-Lemaître, n'a été établie que dans les années 1930. Aujourd'hui, l'Univers jusqu'aux limites de notre horizon observable a été exploré, il contient au moins deux mille milliards de galaxies. Les télescopes dans l'espace (Hubble, James-Webb, Euclid), ou au sol (VLT, ELT, ALMA, SKA) nous permettent de préciser de plus en plus la physique des galaxies, et d'établir la théorie de leur formation, de même que l'histoire cosmique de la formation d'étoiles.Les galaxies évoluent en symbiose avec leur trou noir supermassif, qui existe au centre de chaque bulbe de galaxie. Ce trou noir est alimenté par le gaz et les étoiles de la galaxie qui orbitent près du centre. Depuis quelques années, la détection des ondes gravitationnelles nous renseignent sur le taux de fusion des trous noirs, et des observations interférométriques à très haute résolution angulaire ont pu faire l'image de l'ombre de trous noirs supermassifs.BiographieAstrophysicienne à l'Observatoire de Paris, membre de l'Académie des sciences, Françoise Combes a été directrice adjointe du Laboratoire de physique de l'École normale supérieure (ENS) de 1985 à 1989. Elle a été présidente de la Société française d'astronomie et d'astrophysique (2002-2004) et a dirigé le Programme national galaxies du CNRS (2001-2008). Elle est éditrice de la revue européenne Astronomy & Astrophysics, depuis 2003. Ses activités de recherche sont consacrées à la formation et à l'évolution des galaxies, dans un contexte cosmologique. Par ses simulations numériques, elle a été la première à découvrir le mécanisme permettant de former des bulbes dans les galaxies spirales, par des résonances verticales des barres stellaires. Elle a également été pionnière dans les absorptions moléculaires devant des quasars éloignés, conduisant à des contraintes sur la variation des constantes fondamentales. Elle a reçu la médaille d'or 2020 du CNRS ainsi que le prix international Pour les Femmes et la Science L'Oréal-UNESCO 2021.
Episodes
Mentioned books
Jan 13, 2025 • 57min
Séminaire - Florent Leclercq - L'énergie noire avec Euclid
Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noiresSéminaire - Florent Leclercq - L'énergie noire avec EuclidIntervenant(s) :Yann RaseraObservatoire de ParisRésumé : L'énergie noire représente l'un des plus grands mystères de la science actuelle : est-ce une constante cosmologique, un fluide exotique ou la manifestation d'une modification des lois de la gravité à grande échelle ? Pour répondre à cette question cruciale, il nous faut à la fois développer des théories explorant différents scénarios dans le cadre de la relativité générale et au-delà, mais aussi effectuer des relevés profonds de galaxies, dont la distribution est sensible à la nature de l'énergie noire.Mais ce n'est malheureusement pas suffisant. Il est, en effet, crucial de construire un pont robuste entre théories et observations. À l'heure actuelle, l'outil le plus précis à notre disposition est la simulation numérique. Dans ce séminaire, j'exposerai ainsi l'apport fondamental des simulations numériques à la problématique de la nature de l'énergie noire.Grâce à des modélisations de la formation des grandes structures de l'Univers, les scientifiques réalisent des expériences « in-silico », en variant les propriétés de l'énergie noire et en étudiant leurs conséquences sur la distribution des galaxies. En explorant des centaines d'univers simulés correspondant à autant de modèles d'énergie noire et en les comparant aux observations, les cosmologistes cherchent ceux qui sont compatibles avec le nôtre. Cette démarche leur permet de tirer des indices précieux dans notre quête de la compréhension de la nature de l'énergie noire.
Jan 13, 2025 • 1h 3min
07 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Perspectives à dix ans
Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires07 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Perspectives à dix ansIntervenant : Françoise CombesProfesseur du Collège du FranceRésuméLe satellite Euclid, lancé en juillet 2023 par l'Agence spatiale européenne, va observer une grande partie du ciel pendant six ans, et identifier plus de dix milliards de galaxies à différentes époques. Il va utiliser plusieurs outils comme les lentilles gravitationnelles, les oscillations acoustiques baryoniques, le taux de croissance des structures, des amas de galaxies, les distorsions espace-redshift, pour lever le voile sur le secteur noir de l'Univers. Plusieurs expériences complémentaires vont suivre : le télescope Vera Rubin au Chili, ou le SKA, qui utiliseront des outils semblables, avec d'autres cibles. SKA va utiliser les sources radio, et la raie HI-21cm, cibles différentes des longueurs d'onde visible et infrarouge d'Euclid. La théorie de l'inflation pourrait être confirmée par la détection des ondes gravitationnelles primordiales, soit dans le fond cosmologique et les perturbations du mode-B, avec le rapport des perturbations tenseur/scalaire, soit par le réseau de pulsars avec SKA.
Jan 6, 2025 • 60min
Séminaire - Yann Rasera - Nature de l'énergie noire : éléments de réponse dans les simulations cosmologiques
Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noiresSéminaire - Yann Rasera - Nature de l'énergie noire : éléments de réponse dans les simulations cosmologiquesIntervenant(s) :Yann RaseraObservatoire de ParisRésumé : L'énergie noire représente l'un des plus grands mystères de la science actuelle : est-ce une constante cosmologique, un fluide exotique ou la manifestation d'une modification des lois de la gravité à grande échelle ? Pour répondre à cette question cruciale, il nous faut à la fois développer des théories explorant différents scénarios dans le cadre de la relativité générale et au-delà, mais aussi effectuer des relevés profonds de galaxies, dont la distribution est sensible à la nature de l'énergie noire.Mais ce n'est malheureusement pas suffisant. Il est, en effet, crucial de construire un pont robuste entre théories et observations. À l'heure actuelle, l'outil le plus précis à notre disposition est la simulation numérique. Dans ce séminaire, j'exposerai ainsi l'apport fondamental des simulations numériques à la problématique de la nature de l'énergie noire.Grâce à des modélisations de la formation des grandes structures de l'Univers, les scientifiques réalisent des expériences « in-silico », en variant les propriétés de l'énergie noire et en étudiant leurs conséquences sur la distribution des galaxies. En explorant des centaines d'univers simulés correspondant à autant de modèles d'énergie noire et en les comparant aux observations, les cosmologistes cherchent ceux qui sont compatibles avec le nôtre. Cette démarche leur permet de tirer des indices précieux dans notre quête de la compréhension de la nature de l'énergie noire.
Jan 6, 2025 • 1h 6min
06 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Constante cosmologique ou champs scalaires
Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires06 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Constante cosmologique ou champs scalairesIntervenant : Françoise CombesProfesseur du Collège du FranceRésuméUne constante cosmologique est toujours possible, d'après les observations actuelles : fonds cosmologique micro-onde, relevés de galaxies, etc. Mais le problème d'ajustement fin est trop contraignant, et ne permet pas de faire le lien avec l'inflaton, champ scalaire de la première époque de l'Univers. Un grand nombre de théories font appel à un champ scalaire, une quintessence avec une énergie noire dynamique dans le temps. Il existe deux grands types de solution, selon l'équation d'état P= w x densité: soit un dégel w=-1 au départ, puis w croît en restant inférieure à -0.7 ; soit une congélation, où w tend asymptotiquement vers -1. Les théories de gravité modifiée, pour rendre compte de l'énergie noire sont multiples : Soit f(R), Tenseur-scalaire, Tenseur-vectoriel, Formalisme général de Horndeski, Théorie holographique, issue du problème de l'information autour des trous noirs.
Dec 16, 2024 • 54min
Séminaire -Silvia Galli - Les contraintes du fond diffus cosmologique
Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noiresSéminaire -Silvia Galli - Les contraintes du fond diffus cosmologiqueIntervenant(s) :Silvia GalliIAP, ParisRésumé : Le fond diffus cosmologique (Cosmic Microwave Background, CMB) est la lumière la plus ancienne que nous puissions observer, émise environ 380 000 ans après le Big Bang. Les observations du CMB révèlent de minuscules fluctuations de température. Ces anisotropies contiennent une mine d'informations sur la nature et la structure de l'Univers. Elles nous permettent de mesurer avec une précision inégalée des paramètres cosmologiques fondamentaux, tels que la densité de matière noire et d'énergie sombre. Le CMB est également un outil précieux pour tester les théories de la physique fondamentale. Il est sensible à un large éventail de phénomènes, allant des masses des neutrinos à la nature de la gravité. Les contraintes les plus strictes sur le CMB proviennent actuellement des données recueillies par le satellite Planck de l'ESA. Planck a permis de tester nos modèles de l'Univers avec une précision extrême, répondant à de nombreuses questions mais laissant également quelques mystères fondamentaux non résolus. Les expériences actuelles et futures sur le CMB, telles que le télescope du pôle Sud (SPT), l'observatoire Simons, CMB-S4, Litebird et d'autres, continueront de nous fournir des informations précieuses sur l'origine, l'évolution et la composition de notre cosmos.
Dec 16, 2024 • 55min
05 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Contraintes sur l'énergie noire
Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires05 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Contraintes sur l'énergie noireRésuméPlus de 95 % du contenu de l'Univers est noir ou inconnu : outre les 25 % faits de matière noire exotique, depuis vingt-cinq ans nous savons que l'expansion est accélérée, à cause de l'énergie noire qui représente 70 % du contenu. Les contraintes astrophysiques sont obtenues avec les meilleures sondes, les supernovae Ia, ensuite les sursauts gamma, les lentilles gravitationnelles fortes, ou les ondes gravitationnelles émises par les fusions de trous noirs. Pour l'instant, une constante cosmologique, comme introduite par Einstein, pourrait expliquer les observations. Toutefois, l'énergie du vide quantique a toujours une densité 50 à 100 ordres de grandeur supérieure à celle de l'énergie sombre de l'Univers. Si l'énergie noire est dynamique, elle pourrait être reliée à l'inflation des premiers instants de l'Univers. Ou bien faut-il faire appel à une gravité modifiée, qui pourrait aussi être compatible avec la mécanique quantique ? Il existe plusieurs tentatives : gravité uni-modulaire, super-symétrie (SUSY), théorie des cordes, holographie, gravité quantique à boucles.
Dec 9, 2024 • 1h 2min
Séminaire - Julien Lavalle - Nouvelles particules et détection indirecte
Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noiresSéminaire - Julien Lavalle - Nouvelles particules et détection indirecteIntervenant(s) :Julien LavalleLUPM-MontpellierRésumé : Notre compréhension des observations cosmologiques actuelles et de la formation des grandes structures de l'Univers (galaxies et au-delà) repose en partie, dans le modèle cosmologique standard, sur l'existence d'un fluide effectif de matière noire froide dans lequel les perturbations imprimées durant les phases très primordiales de l'Univers pourraient croître sous l'effet de la gravité, permettant ainsi la naissance et l'évolution des galaxies. Une question fondamentale demeure : quelle est la nature de ce fluide, et comment a-t-il été produit, si tant est qu'il s'agisse réellement d'une nouvelle forme de matière ? Des développements théoriques en physique des particules dite « au-delà du modèle standard » proposent des scénarios plausibles caractérisés par l'existence de nouvelles particules suffisamment stables pour jouer le rôle de la matière noire.Dans ce séminaire, nous présenterons les classes de scénarios les plus prometteuses (WIMPs, axions ou scalaires légers, neutrinos stériles, etc.), et expliquerons comment les observations ou expériences présentes ou futures pourront les mettre en évidence ou les exclure. Nous verrons comment ces scénarios peuvent, sous certaines conditions, rendre aussi compte de potentielles anomalies aux petites échelles affectant la matière noire froide dans sa description la plus épurée. Enfin, nous nous demanderons dans quelle mesure ces nouvelles particules pourraient coexister avec d'hypothétiques trous noirs primordiaux, autres candidats potentiels à la matière noire.
Dec 9, 2024 • 1h 4min
04 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Candidats possibles pour la matière noire
Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires04 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Candidats possibles pour la matière noireRésuméIl existe plusieurs contraintes cosmologiques pour trouver des candidats, venant des galaxies, des amas, mais aussi des contraintes de physique quantique, fermions ou bosons. La physique des particules nous indique une grande variété des candidats : les WIMPS, avec interaction faible, provenant de la super-symétrie (SUZY), dont la particule la plus stable est le neutralino ; les neutrinos stériles, qui pourraient avoir une masse de l'ordre de quelques keV ; les trous noirs primordiaux ; les axions, ou particules semblables aux axions, de masse de l'ordre de 10**(-21) eV. Uniquement des limites supérieures sont obtenues dans les expériences de détection directe ou indirecte. Une autre piste est celle de la gravité modifiée.
Dec 2, 2024 • 59min
Séminaire - Nabila Aghanim - Distribution de la matière à grande échelle
Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noiresSéminaire - Nabila Aghanim - Distribution de la matière à grande échelleIntervenant(s) :Nabila AghanimIAS-OrsayRésumé : Les avancées théoriques et observationnelles de l'astrophysique et de la cosmologie moderne nous permettent de savoir que l'Univers, aujourd'hui, est composé d'une fraction très faible (~5%) de matière ordinaire, le reste étant composé de constituants dont on ignore encore la nature, la matière noire et l'énergie noire.Les observations révèlent que la matière à grande échelle est agencée en une gigantesque toile cosmique peuplée de galaxies. Elle est faite de vides, de murs et de filaments cosmiques à l'intersection desquels les nœuds renferment les structures gravitationnelles les plus grandes, amas de galaxies.La distribution de la matière dans la toile cosmique est le résultat de la croissance hiérarchique des structures durant l'évolution de l'Univers depuis le Big Bang. Les relevés cosmologiques, en cartographiant le ciel, nous révèlent ainsi la distribution spatiale de la matière à travers l'histoire de l'Univers. Nous arpenterons la toile cosmique pour découvrir ce que la distribution de la matière à grande échelle nous apprend sur l'histoire croisée de l'évolution des structures et de l'Univers.
Dec 2, 2024 • 1h 2min
03 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - La matière noire à l'échelle des groupes et amas
Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires03 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - La matière noire à l'échelle des groupes et amasRésuméDans le Groupe local, la meilleure estimation de la masse est donnée par le théorème du Viriel. Les groupes compacts posent le problème de leur durée de vie. En fait, ils ne sont pas compacts depuis longtemps, selon les simulations. Dans les amas de galaxies, il y a plusieurs méthodes pour déterminer la masse : le Viriel, mais les vitesses des galaxies sont longues à obtenir ; l'équilibre hydrostatique du gaz chaud, émetteur X (si équilibre) ; les lentilles gravitationnelles fortes ; le cisaillement gravitationnel. Dans les cas de collisions violentes entre deux amas, il peut y avoir séparation entre matière noire et gaz, qui contient l'essentiel des baryons. Nous décrirons les relations d'échelle qui relient la luminosité, la température, et la masse des amas.
