L`univers violent par Didier Barret de l`IRAP
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SOMMAIRE 1 L'Univers violent: Didier Barret (IRAP) mercredi 14 décembre 11 IRAP, Toulouse Didier Barret SOMMAIRE L'Univers violent 2 Petit bestiaire de l'Univers violent L'Univers violent en quelques chiffres, témoins d'une extrême violence La violence ne mène à rien ... sauf à la physique Quelques grandes découvertes de ces dernières années Les missions spatiales du futur L'Univers violent: Didier Barret (IRAP) mercredi 14 décembre 11 Petit bestiaire de l'Univers violent Reste de supernova Etoile à neutrons Sursaut gamma Trou noir binaire Quasar La découverte de la première source X cosmique a eu lieu il y a 50 ans et valut le Prix Nobel de Physique à Riccardo Giaconni en 2002 3 Images de la Recherche Scientifique Spatiale Française – 12 décembre 2011 mercredi 14 décembre 11 Quelques chiffres Trou noir dans un système binaire En une seconde, un trou noir stellaire rayonne en rayons X autant d'énergie que le Soleil en 10 jours sur l'ensemble du spectre électromagnétique L'accélération due à la gravité est 100 milliards de fois supérieure au rayon externe d'un trou noir de 10 masses solaires, à celle que l'on subit à la surface de la Terre La physique de Newton cède le pas à la Relativité Générale: Un champ gravitationnel est localement équivalent à référentiel soumis à une accélération uniforme Dans un tel référentiel, les trajectoires sont courbées sous l'effet de la matière Une étoile à neutrons possède la masse du Soleil (2 1030 kg), condensée dans un rayon de 10 km Une cuillère à café (1 cm3) d'une étoile à neutrons contient la masse de 40000 Tours Eiffel 4 Images de la Recherche Scientifique Spatiale Française – 12 décembre 2011 mercredi 14 décembre 11 Courbure extrême de l'espace-temps Une étoile à neutrons incandescente Quelques chiffres Un sursaut gamma émet (en rayons gamma) autant d'énergie en 10 secondes que le Soleil émettra au cours de ses 10 milliards d'années de durée de vie ! Le sursaut gamma le plus lointain connu à ce jour a été produit seulement 600 millions d'années après le big bang Sondes cosmologiques, traceurs de la formation stellaire au fil du temps cosmique, source de rayonnements de très hautes énergies, d'ondes gravitationnelles, ... Un trou noir super massif façonne un amas de galaxies par l'émission de jets de matière, créant des cavités La masse de matière déplacée peut excéder la masse totale de toutes les étoiles de notre voie lactée ! La taille des cavités est plusieurs fois la taille d'une galaxie ! 5 Images de la Recherche Scientifique Spatiale Française – 12 décembre 2011 mercredi 14 décembre 11 La violence ne mène à rien ... sauf à la physique Observer la Relativité Générale en action dans le domaine des champs gravitationnels extrêmes, au voisinage des trous noirs et étoiles à neutrons Eddington: courbure des rayons lumineux par le Soleil (1919) Schwarzschild: Equation d'Einstein résolue, en particulier pour les trous noirs statiques (1915) Déterminer la nature de la matière à des densités supra-nucléaires en utilisant les étoiles à neutrons Matière la plus dense observable dans l'Univers en particuliers dans un régime de faible température et grande densité Transitions d'un super fluide de neutrons vers des particules exotiques: quarks, matière étrange 6 Images de la Recherche Scientifique Spatiale Française – 12 décembre 2011 mercredi 14 décembre 11 La violence ne mène à rien ... sauf à la physique Comprendre comment les astres extrêmes se forment Co-évolution trou noir/galaxie Phases finales de l'évolution stellaire, premiers trous noirs Comprendre comment les phénomènes violents qu'il génèrent influent sur le milieu environnant et modifient l'Univers à petites et grandes échelles La corrélation existante entre la masse du trou noir central et la masse des étoiles de la galaxie implique une forte interaction/régulation entre les deux constituants Comprendre les mécanismes physiques d'accélération de particules à des énergies extrêmes, dix millions de fois supérieure à l'énergie maximale atteinte au LHC du CERN Leur domaine d'exploration privilégié au sol (AUGER) et bientôt dans l'espace (JEM-EUSO) 7 Images de la Recherche Scientifique Spatiale Française – 12 décembre 2011 mercredi 14 décembre 11 Les observatoires spatiaux hautes énergies en opération L'Univers violent s'explore à toutes les longueurs d'onde, mais en priorité dans le domaine des hautes énergies des rayons X, X-durs et gamma (1 keV au TeV) Ce qui nécessité l'accès à l'espace en raison de l'atténuation du rayonnement X par l'atmosphère Forte contribution instrumentale et scientifique Française aux satellites XMMNewton, INTEGRAL, principalement par l'IRAP (ex CESR) Toulouse et CEA/SAP Saclay (mais aussi dans des laboratoires IN2P3) Les observatoires spatiaux de l'Univers violent actuellement en opération 8 XMM-Newton Chandra Suzaku Rayons X Rayons X Rayons X 1999... 1999... 2005... Images de la Recherche Scientifique Spatiale Française – 12 décembre 2011 mercredi 14 décembre 11 Swift INTEGRAL FERMI Rayons X/X-durs Rayons X/gamma Rayons gamma 2004... 2002... 2008... SIGMA/GRANAT (1989-1999): Père d'INTEGRAL Première image du centre galactique dans le domaine des rayons X-durs découverte des microquasars: sources de jets radio relativistes de matière, analogues aux quasars, mais sur des échelles de temps des millions/milliards de fois plus courtes GRANAT/SIGMA sous coiffe à Baïkonour La couverture de Nature pour la découverte des microquasars Collaboration SIGMA Jets radio Carte du centre galactique en X-durs par SIGMA 9 Images de la Recherche Scientifique Spatiale Française – 12 décembre 2011 mercredi 14 décembre 11 Trou noir Jets radio Mirabel et al. INTEGRAL/IBIS imager Cartographie de la voûte céleste en X-durs (des centaines d'objets) et découverte de l'émission X-durs du trou noir dormant au centre de notre galaxie Distribution des sources de rayonnements X-durs sur le Ciel Zoom sur le Centre Galactique, abritant un trou noir de 3 millions de masses solaires mais très calme Zoom sur le bulbe galactique Goldwurm et al. Lebrun et al. 10 Images de la Recherche Scientifique Spatiale Française – 12 décembre 2011 mercredi 14 décembre 11 INTEGRAL - SPI/Spectrometer Cartographie de la raie d'annihilation électrons/positrons à 511 keV de la voie lactée - découverte d'une asymétrie et d'une corrélation avec la distribution des systèmes binaire X - une énigme à résoudre Carte du Ciel à 511 keV - l'émission concentrée au centre de notre galaxie est asymétrique Processus d'annihilation électron/positron Distribution des binaires à objets compacts Jean et al., Weidenspointner et al. 11 Images de la Recherche Scientifique Spatiale Française – 12 décembre 2011 mercredi 14 décembre 11 FERMI - petit fils de COS-B (1975-1982) Emission diffuse gamma, produite par interaction des rayons cosmiques de très hautes énergies avec le gaz du milieu interstellaire Identification des restes de supernovae comme sources de rayons cosmiques Carte du ciel en gamma avec Fermi - zoom sur des restes de supernova Reste de la Supernova Cas A en rayons X et source gamma résolue Collaboration FERMI Collaboration FERMI 12 Images de la Recherche Scientifique Spatiale Française – 12 décembre 2011 mercredi 14 décembre 11 XMM-Newton Découverte avec XMM-Newton d'un trou noir de masse intermédiaire: le chaînon manquant entre les trous noirs stellaires et les trous noirs super massifs situés au coeur de la plupart, sinon de toutes les galaxies. Brique élémentaire de la formation des trous noirs supermassifs ? Témoin d'un passé agité? Vue par le Hubble Space Telescope de la galaxie abritant le trou noir de masse intermédiaire HLX-1 HLX-1 Farrell et al., Webb et al. 13 Images de la Recherche Scientifique Spatiale Française – 12 décembre 2011 mercredi 14 décembre 11 Deux galaxies en interaction - le trou noir de la plus petite des deux galaxies pourrait être le reste errant d'une telle interaction, destiné ensuite à fusionner avec le trou noir de la plus grosse galaxie Le futur: SVOM - Sursauts gamma (>2015) Mission Sino-Française dédiée à l'étude des sursauts gamma et optimisée pour la détection des premiers trous noirs formés dans l'Univers Les grandes étapes dans l'évolution de l'Univers (JL Puget) 13.8 milliards d'années Les âges sombres Les galaxies et les étoiles Big Bang Inflation Les premières étoiles et galaxies 14 L'accélération de l'expansion de l'Univers Images de la Recherche Scientifique Spatiale Française – 12 décembre 2011 mercredi 14 décembre 11 Le satellite SVOM et sa charge utile détectera les explosions des premières étoiles formées aux confins de l'univers Missions ATHENA et LOFT en étude à l'ESA (après 2020) Deux missions spatiales destinées à l'observation de l'Univers violent sont actuellement à l'étude par l'ESA (+ ASTRO-H sous leadership JAXA) Observatoire X généraliste, post XMMNewton - comprendre le rôle des trous noirs dans l'évolution de l'Univers 15 Images de la Recherche Scientifique Spatiale Française – 12 décembre 2011 mercredi 14 décembre 11 Etude de la relativité générale en champs gravitationnels extrêmes L'Univers violent SOMMAIRE L'Univers violent se découvre en particulier au travers de la fenêtre des hautes énergies, accessible uniquement depuis l'espace Grâce au CNES, la France a une longue tradition d'étude de l'Univers violent, COS-B, SIGMA/GRANAT, INTEGRAL, XMM-Newton, puis viendront SVOM, ATHENA/LOFT, ... L'Univers violent est une chance car il nous permet d'explorer les lois de la physique dans des conditions non reproductibles en laboratoire et nous renseigne sur les mécanismes de formation et d'évolution d'objets astrophysiques, ayant un impact très important sur leur environnement L'étude de l'Univers violent est un domaine de recherche en plein essor avec le déploiement de grands observatoires au sol qui vont explorer le ciel transitoire (LSST, LOFAR, ...) » disposer simultanément d'un observatoire spatiale de hautes énergies est indispensable pour la compréhension globale des objets 16 L'Univers violent: Didier Barret (IRAP) mercredi 14 décembre 11 Astres violents 17 Images de la Recherche Scientifique Spatiale Française – 12 décembre 2011 mercredi 14 décembre 11
