Introduction à l`astrophysique des particules
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1 Introduction à l’astrophysique des particules (Quelques notes et figures en marge du cours…) — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 2 Physique / Astrophysique ■ Astrophysique ⊂ Physique et Physique ⊂ Astrophysique astroparticules… ■ Que peut-on apprendre du monde physique en observant le cosmos ? Terre ⊂ cosmos Mais en pratique, science mise en œuvre et développée sur Terre ≠ science tournée vers le cosmos, avec cosmos comme objet expérience ≠ observation ■ Que peut-on apprendre sur le cosmos en observant le cosmos ? « astrophysique générale » ■ (connaissance des lois requise !) Que peut-on apprendre sur la Nature, son contenu, ses lois, en observant le cosmos ? « astrophysique fondamentale » (connaissance de l’astro. requise !) — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 Astrophysique ■ Astronomie ≠ Astrophysique ■ Étapes clés… • Immuabilité → événements • « La Lune est Terreuse ! » • Spectroscopie 3 → phénomènes → processus physiques → La physique concerne aussi le cosmos ! → découverte de l’hélium ! → physique du cosmos (astrophysique) • Astronomie non visible → multi-longueur d’onde • Astronomie non photonique → multi-messager « astroparticules » — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 4 L’univers a une histoire ! ■ Fait majeur, extrêmement profond, difficile à appréhender… ■ Plusieurs types d’histoire, en parallèle • Cosmologie, histoire de l’évolution des structures… • Évolution chimique, histoire des noyaux, atomes, molécules… Vie ! • etc. ■ « Écologie galactique », dans un monde en évolution… ■ Objets clés : supernovæ… Composante clé : RC… + AGN + événements locaux : sources HE (GRB, pulsars…), collisions, merging… (contingence !) — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 5 La nucléosynthèse primordiale (BBN: Big Bang Nucleosynthesis) — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 6 ■ Rappel : thermodynamique ◆ ◆ ◆ ◆ ■ Fonction de distribution des particules Densité numérique des particules et densité d’énergie Équation d’état Entropie Univers primordial ◆ ◆ ◆ Équation de Friedmann-Lemaître Expansion de l’univers Expansion et histoire thermique ✦ ✦ ■ Densité d’énergie totale Particules et degrés de liberté dans le Modèle Standard Nucléosynthèse ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ Asymétrie baryonique et rapport baryons/photons Principe de la BBN Rapport neutrons/protons Fraction d’hélium Accord avec les observations, et implications !!! — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 7 Nucléosynthèse primordiale ■ Exemple de réactions, conduisant à 3He… — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 8 Évolution des abondances ■ Valeurs primordiales mesurées : YHe = 0.238 ± 0.002 ± 0.005 D/H ~ (3.40±0.25)×10-5 7Li/H ~ 1–2×10-10 — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 Nucléosynthèse primordiale ■ 9 Abondances en fonction de la densité baryonique — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 10 Corinne Charbonnel, Nature 415, 27-29 (2002) — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 11 Nécessité de matière non baryonique ! BBN D/H = (3.40 ± 0.25)×10-5 η = (5.1 ± 0.5)×10-10 Ωb = 3.67 107 η h-2 Ωb = 0.038 ± 0.005 ■ NB: à partir de l’étude du CMB (WMAP) : Ωb = 0.044 ± 0.004 — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 12 Nombre de familles de neutrinos : Nν = 3 — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 13 Nucléosynthèse stellaire et évolution chimique — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 Abondances atomiques ■ ■ ■ Ag, Pt, Au... Mg, Al, Fe... (métaux usuels) H, C, N, O... (éléments vitaux) ■ Très rare (et très cher !) ■ Plus abondants ■ Très abondants! 14 Pourquoi ??? !!! — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 15 Abondances solaires 12 H 10 Solar abundances of the Elements He 6 log(abundance) 8 C 6 4 2 Li (normalized to Si = 10 ) O Ne MgSi Fe S N ArCa Ni Cr Na Ti P Mn Zn Cl K Co Ge F Kr V Cu B Sc 0 Be -2 Zr Ga Xe Ba Pb Mo Pd Sn Ce A s Rb O sP t Gd Er Hf Nb Rh SbI Cs Au Bi In Pr Eu Ho Re LuTa (data: Anders & Grevesse, 1989) Th U -4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Atomic number Pourquoi si peu de LiBeB… ou pourquoi autant ?! — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 16 Les étoiles « Réacteurs nucléaires à confinement gravitationnel » ■ Environ 1011 étoiles dans la Voie Lactée… ■ Source d’énergie : réactions nucléaires ■ Prolongement de l’œuvre nucléosynthétique universelle… ■ Enrichissement progressif de la galaxie, génération d’étoiles après génération d’étoiles NB: ∃ étoiles de masses, températures et durées de vie très variées… — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 Énergie de liaison des noyaux — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 17 2007-2008 Un modèle du Soleil… — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 18 2007-2008 Diagramme de Herzsprung-Russell — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 19 2007-2008 20 Nucléosynthèse ■ Arithmétique nucléaire… 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16… 238 H D 3He 4He 6Li 7Li 9Be 10B 11B Big Bang LiBeB 4+1=5 4+4=8 ??? H, He + 10% du 7Li actuel 12C 13C 14N 15N 16O… 238U Stars, SNe... 3 × 4 = 12 réactions 3 α C, N, O... Fe ... jusqu’à U (SNe...) — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 21 gaz primordial Big Bang (90% H, 10% He) Enrichissement progressif en éléments lourds gaz et poussières éjection de gaz enrichi (vents, SNe...) galaxie Condensation stars → Terre, roches, plantes, êtres humains... — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 22 Le “temps chimique” ■ ■ ■ Du point de vue de la nucléosynthèse, l’évolution Galactique consiste à transformer le H et le He primordiaux en noyaux lourds (C, O, Fe, etc.). X ≡ abondance de H. Y ≡ abondance de He. Z ≡ abondance de tous les éléments plus lourds, appelés “métaux”. Z est aussi appelé “métallicité”. C’est une fonction croissante du temps, pouvant servir à définir un “temps chimique”: ◆ ◆ ◆ ■ au début de l’évolution Galactique, Z = 0, à la naissance du soleil, Z ≡ Z = 0.020, aujourd’hui, Z ≈ Z. tchim L’univers est jeune ! t0 t — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 Nucléosynthèse des éléments légers (LiBeB) 23 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16… 238 H D 3He 4He ■ ■ ■ 6Li 7Li 9Be 10B 11B 12C 13C 14N 15N 16O… 238U La nucléosynthèse primordiale, la nucléosynthèse stellaire, la nucléosynthèse explosive... sont toutes des processus thermiques. Mais les processus thermiques détruisent le LiBeB, plutôt qu’ils ne le produise. → processus non thermiques 10 burning temperatures → particules non thermiques Fusion de noyaux plus légers ne fonctionne pas procéder de façon inverse : spallation de noyaux plus lourds (C,N,O). → les éléments légers sont des noyaux secondaires 8 (in 106 K) 6 10 9 4 6 2 7 Li B 11 B Be Li 0 isotopes — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 24 Origine du LiBeB ■ Le LiBeB est synthétisé par spallation du CNO, mais ◆ Quel est l’agent de spallation ? rayons γ Produit seulement 7Li et 11B: SNe → 11B/10B ~ 4 neutrinos nucléons Donne les bons rapport d’éléments: •B/Be ~ 30 ± 5 •Li/Be ~ 100 ± 20 électrons — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 25 Les rayons cosmiques (Au cœur de l’écologie Galactique) — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 26 L’astronomie multilongueur d’onde (Ô vaste spectre électromagnétique !) — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 L’univers « visible »… 27 M31 (Andromède) — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 La Galaxie en rayons gamma 28 EGRET (> 100 MeV) — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 La Galaxie en rayons gamma 29 sources EGRET — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 La Galaxie en rayons X 30 sources X (HEAO-1) — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 La Galaxie en rayons X 31 ROSAT (0.1–2.0 keV) — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 La Galaxie dans le visible 32 La Voie Lactée ! étoiles, amas, lumière absorbée… — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 La Galaxie en infrarouge 33 COBE/DIRBE 60 µm, 100µm, 240µm poussière interstellaire, nuages en volutes, lumière zodiacale… — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 La Galaxie en infrarouge proche 34 COBE/DIRBE — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 La Galaxie dans la raie de l’hydrogène à 21 cm (1420 MHz) 35 Transition parallèle/antiparallèle des spins de p et e dans H neutre — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 La Galaxie en radio, à 480 MHz 36 Synchrotron des électrons dans le champ magnétique… SNRs, bulles, superbulles, radio galaxies, LMC… — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 37 — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 Nébuleuse de l’œil de chat 38 « nébuleuse planétaire » (éjections d’une étoile de type solaire en fin de vie) 1.3´ × 1.3´ — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 L’« œil de chat » : "Nébuleuse planétaire" (HST) — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 39 (~10002007-2008 ans) Vestige de supernova : Tycho (1572) 40 Chandra (satellite X) Red 0.95-1.26 keV, Green 1.63-2.26 keV, Blue 4.1-6.1 keV — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 Vestige de supernova : Cas A (~300 ans) 41 Image radio (VLA) — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 42 Vestige de supernova : Cas A (~300 ans) X (Chandra) visible (DSS) visible (couleurs) IR 10.7-12.0 µm (ISO) IR proche (2MASS) IR moyen (Spitzer) IR lointain (IRAS) radio (VLA) — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 La nébuleuse du Crabe 43 Image dans le visible (VLT, ESO) 1.3´ × 1.3´ — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 44 La nébuleuse du Crabe (Supernova en 1054) X (Chandra) UV (Astro-1) visible (DSS) visible (VLT) IR proche (2MASS) IR moyen (Spitzer) IR lointain (IRAS) radio (VLA) — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 La nébuleuse du Crabe (Chandra) — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 45 2007-2008 46 rayons X (Chandra) — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 Hubble Space Telescope — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 47 2007-2008 48 — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 La nébuleuse du Crabe 49 Image composite 1.3´ × 1.3´ — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 Région du centre Galactique (4° × 4°) 50 radio, 330 MHz ou 90 cm (VLA) — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 Région du centre Galactique en radio (4° × 4°) — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 51 2007-2008 Région du centre Galactique 52 Image SIGMA (3000 h, de 1990-1997) rayons γ rayons X 14° × 14° 14° × 14° — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 Région du centre Galactique (Sgr A*) 53 Image Chandra (rayons X) 1.3´ × 1.3´ — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008 54 Région du centre Galactique "au TeV" Images HESS (après soustraction des 2 sources principales) — NPAC / Astrophysique des particules / E. Parizot (Univ. Paris 7 / APC) — 2007-2008
