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Mise à jour 20 Juin 2022    2 sept ajout vidéo

CONFÉRENCE de Reza ANSARI

Laboratoire Irène et Fréderic Joliot-Curie
 « LA COSMOLOGIE À 21 cm »

Organisée par la SAF

En direct du siège et par téléconférence

Le Samedi 4 Juin 2022 à 15H00

À l'occasion de la réunion de la Commission de Cosmologie

 

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.

Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation, elle est disponible sur ma liaison ftp et se nomme :

cosmo21cm_saf_jun22.pdf, qui se trouve dans le dossier COSMOLOGIE-SAF/ saison 2021-2022.

Il est aussi sur le site de la commission.

Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.

Les actualités présentées sont ici.

 

La vidéo se trouve ici :https://youtu.be/49YNR2zTXEM

Comme d’habitude elle est également insérée dans la playlist « Commission – Cosmologie » :
https://youtube.com/playlist?list=PL78ug7UrzPF1GW7iMV42mAx34bmlk8HxD

 

 

 

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Malgré la chaleur nous étions quand même 22 dans la salle rue Beethoven et une vingtaine sur Zoom.

 

 

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Reza Ansari, Docteur en Physique, est professeur de physique à l’Université Paris Sud (Orsay).

 

C’est un spécialiste de la cosmologie et de la physique des particules.

 

En poste au laboratoire Irène Joliot Curie à Orsay, ou laboratoire des deux infinis.

 

Signalons que ce laboratoire possède un accélérateur linéaire.

 

Présentation vidéo du IJCLab.

 

 

Thème d’aujourd’hui : la cosmologie à 21 cm.

 

 

 

 

La présentation étant particulièrement claire, le CR sera succinct.

 

LE MODÈLE COSMOLOGIQUE : ÉTAT DES LIEUX :

 

Le modèle du Big Bang est conforté par les observations suivantes :

• Expansion de l’univers (Hubble)

• La nucléosynthèse primordial - l’abondance de H, He, Li

• Le fond diffus cosmologique (CMB)

• La formation des structures

 

Le modèle standard de la cosmologie, le LambdaCDM : modèle avec matière noire froide est défini par 6 paramètres seulement. (voir les données du satellite Planck).

 

3 paramètres liés à la RG

1 paramètre lié à la réionisation

2 paramètres liés aux fluctuations primordiales.

 

 

La nature et la cause de l’expansion accélérée de l’Univers (énergie noire) sont les grandes questions à résoudre de la cosmologie moderne.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LA COSMOLOGIE À 21 cm.

 

Voici une diapo très intéressante montrée par Reza Ansari, où l’on voit dans le bas les différentes échelles :

 

La plus basse : l’échelle du décalage vers le rouge (le redshift z) avec z=0 pour notre époque présente ; au-dessus la température de l’Univers, actuellement 2,7K, puis l’âge de l’Univers, 13,8 milliards d’années d’après les derniers relevés.

Un point de repère, le CMB à z=1100 et T=3000K.

 

On a représenté les zones où les mesures 21 cm sont actives : depuis l’apparition des premières étoiles.

 

 

 

Entre le CMB (z=1100) et les premières étoiles (vers z=10), ce sont les âges sombres (dark ages), pas de lumière !

 

Puis les premières étoiles apparaissent, leur lumière intense de ces étoiles massives va réioniser l’Univers. L’Univers qui était neutre devient ionisé, c’est la période de réionisation.

 

On peut explorer cette période des âges sombres et de la réionisation grâce à la raie à 21 cm de l’Hydrogène atomique neutre (dénommée HI). Par comparaison la raie Lyman alpha bien connue a une longueur d’onde de 121 nm !

 

La raie 21 cm (dans le domaine des ondes radio, 1420 MHz) de l’hydrogène atomique correspond à une transition entre deux sousniveaux d’énergie dans l’état fondamental. La différence d’énergie entre ces sousniveaux est due aux différentes orientations des moments magnétiques (spins) de l’électron et du proton

 

On voit sur le tableau suivant, les différentes expériences qui s’intéressent à ces mesures à 21 cm pour les âges sombres :

 

 

On parlera plus tard de ces différentes expériences.

 

LES OBSERVATIONS EN ONDES RADIO.

 

La fenêtre « radio » vue de la surface terrestre. Wikipedia domaine public.

 

 

 

Principe d’un radio télescope.

 

Crédit : parlons sciences Canada

 

Rappel : 21 cm à 1420 MHz

 

Il faut savoir que la résolution dépend du diamètre, par ex :

 

D

S

l/D

10 m

78,5 m2

1,2 deg

50 m

2000 m2

15’

300 m

70 000 m2

2,5’

 

On peut mettre plusieurs télescopes en interférométrie.

 

 

Le signal de 21 cm +possède une belle signature mais son intensité est faible.

On peut comparer pour une galaxie (ex z=0,3  dist 1500 Mpc) à 21 cm et en optique :

 

Émission Radio à 21 cm

·         109 M de HI 3 1027 watts (puissance émise)

·         Puissance reçue : < 10-24 W/m2 répartie sur 1 MHz (qques photons / m2 /s)

·         ce qui correspond à moins de 10-30 W/m2/Hz , < 10-4 Jy (100 % Jy)

En optique

·         109 - 1010 L 1035 watts (puissance émise)

·         Puissance reçue : < 10-16 W/m2 , ~ 10-17 W/m2 dans une bande photométrique (~ 10 photons / m2/s)

 

 

On remarque que le signal à traiter en radio (10-24 W/m2) est très faible par rapport à sa contrepartie optique.

 

La conséquence en est que les radiotélescopes doivent être GRANDS !

 

Quelques exemples :

·         Radiotélescope d’Arecibo (accidenté, doit être reconstruit ?) de 300 m de diamètre à Porto Rico.

·         Radiotélescope interférométrique VLA de New Mexico

·         Le nouveau super radiotélescope chinois FAST de 500 m de diamètre.

·         Le grand radiotélescope de Nançay en France.

 

 

OBSERVATIONS À 21 cm.

 

L’intérêt est que c’est la seule signature spectrale dans la bande radio L (100 à 1500 MHz).

Le redshift donne directement la fréquence. La position est obtenue par imagerie.

 

La cartographie d’intensité à 21 cm.

 

C’est la distribution cosmique de matière à l’aide de raie à 21 cm, en utilisant l’hydrogène atomique comme traceur.

 

On remarque que l’Univers n’est pas homogène, il y a des structures filamentaires correspondant aux galaxies, c’est ce que l’on appelle la toile cosmique (cosmic web).

 

 

Carte tirée du relevé SDSS.

 

 

 

 

 

 

On pourrait faire la même chose en se basant sur les mesures de la raie à 21 cm dans l’Univers.

 

Mais le signal, comme déjà dit est beaucoup plus faible, par exemple pour étudier une galaxie à z=1, la surface de collection doit être de l’ordre du km2 ! D’où l’intérêt du réseau SKA (Square Kilometer Array, réseau e 1 km2)

 

Mais notre propre Galaxie, nous gêne avec ce signal d’avant-plan qui est des milliers de fois plus important que ce que l’on a à mesurer.

 

Voici les différents empilements.

 

Ce sont les informations de l’ordre du mK qu’il va falloir extraire des observations.

 

 

 

On passe sur les détails de ces opérations pour en venir aux diverses expériences en cours ou futures.

 

LES EXPÉRIENCES EN COURS OU FUTURES.

 

Elles sont nombreuses, par exemple :

 

Suivant qu’elles sont plutôt consacrées aux âges sombres (à gauche) ou aux périodes plus récentes.

 

Une image contenant ciel, herbe, extérieur, montagne

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Une récente en cours de construction : Tianlai

 

C’est un réseau de 16 antennes de 6 m, et de 3 réseau cylindriques (40 m par 15 m) situé dans l’Ouest de la Chine, il semble que notre conférencier y ait participé.

 

Crédit : Tianlai consortium.

 

 

 

 

 

Une image contenant texte, arbre, extérieur, ciel

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De même un nouveau réseau de 4 antennes de 5 m vient d’être construit à Nançay, c’est PAON4.

 

R Ansari participe activement avec son labo à ce nouvel instrument.

 

Nouvelle chaine électronqiue IDROGEN.

Crédit : Nançay.

 

 

 

 

 

Autres expériences :

·         CHIME au Canada.

·         HERA en Afrique du Sud.

·         LOFAR/NenuFAR européen.

·         Etc….

 

 

On ne peut pas terminer cette présentation sans évoquer l’EHT (Event Horizon Telescope) qui vient de nous fournir une superbe photo du TN de notre Galaxie.

Un des grands problèmes a été la synchronisation des horloges atomiques entre les différents radiotélescopes.

Voir l’article correspondant des astronews.

 

Un résumé du futur de la cosmologie à 21 cm :

 

 

 

 

 

 

POUR ALLER PLUS LOIN :

 

 

Raie 21 cm de l’hydrogène atomique Radioastronomie

 

La raie à 21 cm : une clé pour l'astrophysique, la cosmologie et Seti

 

FAST : Le 2ème plus grand radio télescope du monde

 

Radio Télescope de Nançay : CR de la visite du 18 Juin 2011

 

L'Univers Profond en Radio, le SKA : CR de la conf SAF (Cosmo) de C. Tasse du 25 sept 2021

 

The Tianlai project.

 

Design, operation and performance of the PAON4 prototype transit interferometer

 

Radioastronomie : NenuFAR en service

 

Radioastronomie Observation de notre galaxie à 21 cm

 

Ligne hydrogène

 

La radioastronomie par le CLEA.

 

 

 

PROCHAINE RÉUNION : À DÉTERMINER, PROBABLEMENT SEPT/OCT ;

 

 

 

PROCHAINE CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF :

 

Prochaine conférence SAF devant public :
Le mercredi 14 Sept 2022 à 19H00  au CNAM amphi Grégoire (220 places).

Titre et intervenant en cours de définition       Résa > 15 Août

.  Réservation comme d’habitude ou à la SAF directement.

Transmission en direct sur le canal YouTube de la SAF Sinon à suivre en direct : https://youtu.be/dEYzUxHXLIg

 

 

Les conférences seront retransmises en direct sur YouTube.

 

 

 

 

 

Bon ciel à tous

 

 

Jean Pierre Martin   Président de la commission de cosmologie de la SAF

www.planetastronomy.com

Abonnez-vous gratuitement aux astronews du site en envoyant votre nom et e-mail.

 

 

https://us02web.zoom.us/rec/play/0TwBCl4q0C-dZXS7hYgvGZ6UIWEZCVA1Hz_2nJ8hkhKLbsZNdDWKF_gsbVUOefgZmSMGPePYtEfDsVm6.TAswUZS_AEQFcZBu?autoplay=true&startTime=1654347513000