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
Nov 25, 2024 • 59min
Séminaire - Jonathan Freundlich - Défis à l'échelle des galaxies et alternatives à la matière noire froide
Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noiresSéminaire - Jonathan Freundlich - Défis à l'échelle des galaxies et alternatives à la matière noire froideIntervenant(s) :Jonathan FreundlichObservatoire de StrasbourgRésumé : Le modèle cosmologique standard avec matière noire froide permet de rendre compte avec précision du fond diffus cosmologique et des structures à grande échelle de l'Univers, tandis que les simulations numériques fondées sur ce modèle reproduisent avec succès de nombreuses propriétés observées des galaxies. Cependant, certaines tensions persistent entre le modèle et les observations, ce qui pourrait en indiquer les limites.En particulier, la relation de Tully-Fisher baryonique et des corrélations à plus petite échelle pourraient indiquer un couplage plus important entre matière baryonique et champ gravitationnel que ne le prévoit le modèle standard. De plus, les simulations ne s'accordent pas sur la répartition de la matière noire au sein des halos, et les observations révèlent une diversité inattendue des courbes de rotation des galaxies ainsi que la présence de plans de satellites, difficiles à expliquer dans le cadre du modèle. Par ailleurs, les simulations peinent à reproduire l'abondance des barres centrales dans les galaxies spirales et le contenu en gaz de ces galaxies.Ces défis pourraient trouver une solution en affinant notre compréhension des processus de formation et d'évolution des galaxies. Toutefois, il se pourrait que les difficultés rencontrées soient de nature plus fondamentale. Des alternatives à la matière noire froide, comme la matière noire tiède, floue ou auto-interagissante, ou encore des modifications de la gravité, ont été proposées pour tenter de résoudre ces problèmes. Ces modèles offrent des perspectives intéressantes, mais soulèvent eux-mêmes de nouvelles questions.
Nov 25, 2024 • 1h
02 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - La matière noire à l'échelle des galaxies
Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires02 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - La matière noire à l'échelle des galaxiesRésuméDans les galaxies massives, la matière noire n'est sensible que dans les parties externes, c'est un halo noir. Le meilleur traceur pour les parties externes est le gaz atomique HI-21cm, qui trace la masse totale. Dans les parties internes, il faut faire appel aux raies du gaz ionisé (Halpha, NII) à haute résolution spatiale, de même que la raie de CO, traceur du gaz moléculaire, qui permettent dans les galaxies de faible masse de révéler une densité constante avec le rayon, et non une cuspide, comme prédit par le modèle standard CDM. Les courbes de rotation dépendent surtout des baryons ; il existe une courbe universelle en fonction du rayon normalisé au rayon effectif. La relation d'échelle de Tully-Fisher baryonique montre que les baryons et la matière noire sont intimement couplés.
Nov 18, 2024 • 1h 5min
Séminaire - Vincent Vennin - Inflation et trous noirs primordiaux
Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noiresSéminaire - Vincent Vennin - Inflation et trous noirs primordiauxIntervenant(s) :Vincent VenninENS-ParisRésumé : La théorie du Big Bang décrit un Univers en expansion, dans lequel de grandes structures se forment par effondrement gravitationnel. Ce sont les galaxies, filaments, murs et vides cosmiques qui nous entourent. Les embryons de ces structures sont les fluctuations quantiques du vide, modelées lors d'une phase d'expansion accélérée appelée « inflation ». Cette hypothèse radicale, qui suppose que tout élément structuré (galaxie, étoile, planète, être humain, etc.) procède de fluctuations quantiques dans l'Univers primordial, a été remarquablement confirmée par les mesures du fonds diffus cosmologique, lumière fossile que l'Univers a laissé échapper dans ses tout premiers instants. La possibilité que certaines de ces fluctuations anormalement grandes s'effondrent en trous noirs « primordiaux » a récemment reçu une attention accrue, car ces trous noirs pourraient constituer la matière noire de l'Univers. Nous reviendrons sur ces éléments clés de la cosmologie primordiale, et soulignerons quelques questions ouvertes qui constituent autant de pistes de recherche à explorer.
Nov 18, 2024 • 1h 1min
01 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Les observations du secteur noir
Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2024-2025Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires01 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Les observations du secteur noirRésuméL'énergie sombre, ou la constante cosmologique Lambda, a été introduite par Einstein en 1917, pour décrire un modèle d'Univers statique. Très vite, Wolfgang Pauli essaie de l'interpréter comme l'énergie du vide quantique, extrapolé à l'Univers, mais s'aperçoit que les ordres de grandeur sont très loin de convenir. Plus tard, la masse manquante découverte dans les amas par F. Zwicky et dans les galaxies par V. Rubin donne lieu à de la matière noire exotique en 1984. De nombreuses expériences tentent de la détecter de façon directe ou indirecte depuis quarante ans. L'énergie sombre est redécouverte en 1998 par l'accélération de l'expansion. Des pistes pour résoudre la nature du secteur sombre seront mentionnées.
Feb 5, 2024 • 60min
Séminaire : Étoiles et trous noirs - Les amas globulaires
Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2023-2024Séminaire : Étoiles et trous noirs - Les amas globulairesIntervenant(s)Paola di MatteoObs-ParisRésumé : 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.
Feb 5, 2024 • 56min
07 - Étoiles et trous noirs : Les amas d'étoiles, formation et dissolution
Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2023-2024Étoiles et trous noirs07 - Étoiles et trous noirs : Les amas d'étoiles, formation et dissolutionRésuméLes 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.
Jan 29, 2024 • 58min
Séminaire : Étoiles et trous noirs - Étoiles binaires X
Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2023-2024Séminaire : Étoiles et trous noirs - Étoiles binaires XIntervenant(s)Sylvain ChatyUniversité de ParisRésumé : 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.
Jan 29, 2024 • 1h 2min
06 - Étoiles et trous noirs : Étoiles à neutrons et pulsars
Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2023-2024Étoiles et trous noirs06 - Étoiles et trous noirs : Étoiles à neutrons et pulsarsRésuméAprès 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.
Jan 22, 2024 • 59min
Séminaire : Étoiles et trous noirs - Physique des trous noirs
Françoise CombesCollège de FranceGalaxies et cosmologieAnnée 2023-2024Séminaire : Étoiles et trous noirs - Physique des trous noirsIntervenant(s)Eric GourgoulhonObs-ParisRésuméApparu 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.
Jan 22, 2024 • 1h 2min
05 - Étoiles et trous noirs : Supernovae et trous noirs
Discussion des mécanismes des supernovæ et de leurs signatures observables. Récit de SN 1987A, détection de neutrinos et imagerie des anneaux. Formation de poussières et molécules dans les éjectas, révélées par ALMA et JWST. Simulations 3D des explosions et asymétries conduisant à des reculs importants. Trous noirs de masse stellaire, fusions détectées par ondes gravitationnelles et quête des trous noirs intermédiaires.
