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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   disponible dans qq jours

 

Une image contenant intérieur, mur, musique, homme

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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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Amphi archicomble pour un sujet pas facile !

 

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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.

 

 

 

 

 

 

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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.

 

Une image contenant capture d’écran

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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.

(https://www.youtube.com/watch?v=YbdwTwB8jtc)

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 :

 (https://youtu.be/kifF3RYcfn0)

vidéo :

 

 

 

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.

 (https://youtu.be/7KmbQ02JE3g)

 vidéo :

 

 

 

 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, contrairement aux  étoiles d’Orion qui n’ont pas encore terminé de détruire leur nuage

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.

 

Une image contenant objet d’extérieur, étoile, moniteur

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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.

 

 

 

 

 

Une image contenant équipement électronique

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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.

 

http://www.planetastronomy.com/astronews/astrn-2014/17/clip_image004.jpg

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

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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.

 

 

Une image contenant plancher, intérieur, mur, debout

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Une image contenant plancher, intérieur, personne, mur

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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

 

Epoch of 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

www.planetastronomy.com

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