M2R ASEP SYLLABUS des COURS UE1: Rayonnement et gravitation

M2R ASEP
SYLLABUS des COURS
UE1: Rayonnement et gravitation
UE 11 – Processus de rayonnement et transfert radiatif / Radiative processes and radiative
transfer (F. Paletou, R. Belmont) - 15h
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Rappels d'électromagnétisme : potentiels de Liénard-Wiechert ; puissance rayonnée par une
charge non-relativiste ; approximation dipolaire ; diffusions Thomson et Rayleigh
Bremsstrahlung : électrons monocinétiques, Bremsstrahlung thermique
Rayonnement synchrotron
Diffusion Compton et Compton-inverse
Transfert de rayonnement : définitions (intensité spécifique, flux, températures, fonction
source) ; équation de transfert (ETR) et moments de l'ETR
Solution formelle de l'équation de transfert : lois de Kirchoff-Bunsen ; approximation
d'Eddington-Barbier, équations de Schwarzschild-Milne ; équilibre thermodynamique local
(ETL)
Equilibre radiatif : notion de température effective ; approximation de diffusion ; opacité de
Rosseland ; le "cas gris" ; loi d'assombrissement centre-bord
Opacités : bilan détaillé ; fonction de partition ; l'ion H-, équilibre statistique ; bases de la
classification spectrale ; notions de transfert hors-ETL
Elargissement des raies spectrales : élargissement naturel, élargissement Doppler/thermique,
microturbulence, élargissement collisionnel, élargissement rotationnel - spectres stellaires
Polarisation des raies spectrales
UE 12 – Gravitation (G. Soucail) - 15h
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Les principes de relativité
Analyse tensorielle et covariance. Formalisme
La courbure de l'espace : qu'est ce qu'un espace courbe, le tenseur de courbure
Les équations d'Einstein
Cosmographie
Cosmologie et modèle standard
Applications de la Relativité Générale : la métrique de Schwarzschild, les tests expérimentaux
de la Relativité Générale, la déviation des rayons lumineux, les trous noirs, les ondes
gravitationnelles
UE2: Fluides et plasmas
UE 21 – Dynamique des fluides / Fluid dynamics (M. Rieutord) - 15h
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Introduction - La stabilité des écoulements : revue de la dynamique des fluides en
Astrophysique ; généralités sur la stabilité des écoulements ; l'analyse locale linéaire ;
l'analyse globale ou modale
La convection thermique : Introduction – exemples ; le critère de Schwarzschild ;
l'approximation de Boussinesq ; l'instabilité de Rayleigh-Bénard ; la convection turbulente:
deux approches simples.
Les fluides en rotation : Introduction ; rappels sur les nombres de Rossby et d'Ekman et
l'écoulement géostrophique ; les ondes et modes propres des fluides en rotation ; la couche
limite d'Ekman ; exemples.
Une introduction à la turbulence : la route vers la turbulence ; la turbulence développée –
rappels ; les corrélations en deux points de la vitesse ; les spectres ; dynamique de la
turbulence universelle ; la turbulence MHD et l'effet dynamo.
Les ondes de choc : Introduction ; la formation d'une onde de choc ; les conditions de passage
d'une discontinuité.
UE 22 – Physique des plasmas spatiaux / Space plasma physics (G. Fruit) - 15h
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Généralités sur les plasmas
Description cinétique d'un plasma : équation de Vlasov - application à la couche de Harris
Description fluide d'un plasma : MHD - Notion de champ gelé
Introduction à la reconnexion magnétique
Ondes dans les plasmas : modes haute fréquence (plasma froid) - modes basse fréquence
(MHD)
Ondes en plasmas chauds - Effet Landau
UE3: Techniques spatiales et numériques
UE 31 – Introduction aux systèmes spatiaux / Introduction to space systems (P. von Ballmoos)
- 10h
UE 32 – Dynamique spatiale / Space dynamics (D. Mimoun) - 15h
Objectifs : Ce cours a pour objectif une introduction à la mécanique céleste, et à la mécanique
spatiale. Il a deux objectifs principaux : donner les outils nécessaires à la compréhension et à la
résolution des problèmes simples de mécanique spatiale qui seront nécessaire à tout scientifique
s’intéressant aux Sciences Spatiales et donner quelques éléments d’introduction permettant
d’appréhender les outils et les concepts modernes utilisés en Mécanique Céleste et dynamique du
Système Solaire, qui ont beaucoup évolué ces vingt dernières années.
Syllabus :
• Introduction Historique - le système Solaire – Mouvement Képlérien – repères de l’espace et
du temps
• Problème à deux corps – Mouvement Képlérien – Equation de Képler- Orbite dans l’espace – :
Approche Hamiltonienne –Problème à deux corps perturbé – Equations de Gauss
• applications aux satellites : trace au Sol, héliosynchronisme- phasage – orbites d’intérêt –
constellations
• Problème à trois corps – Problème à trois corps restreint – Intégrale de Jacobi, points de
Lagrange, Stabilité, Trajectoire autour des points de Lagrange.
• Problème à N corps, Trajectoires Interplanétaires
• Résonances dans le Système Solaire – Modélisation du couplage Spin Orbite
• Théories alternatives - Perspectives
UE 33 – Simulations numériques et traitement de données expérimentales / Numerical
simulations and data processing (H. Carfantan, L. Jouve) – 20h
1. Traitement de données expérimentales
En s'appuyant sur des connaissances en traitement du signal et en statistiques, le cours mets l'accent
sur des problématiques rencontrées en traitement de données en sciences de l'univers. Il est organisé
sous forme de leçons thématiques.
• Rappel sur le traitement numérique du signal, sur les probabilités et les signaux aléatoires
• Estimation (construction et calcul d'estimateurs, barres d'erreur sur les paramètres estimés)
• Analyse spectrale des signaux (et problème de l'échantillonnage irrégulier)
• Analyse temps-fréquence des signaux
• Déconvolution et problèmes inverses.
2. Simulations numériques
• Cours d'introduction aux méthodes numériques de résolution des équations aux dérivées
partielles : les différents types de simulations numériques en astrophysique, éléments de
théorie sur les méthodes numériques, propriétés de quelques schémas numériques,
comparaison de l'efficacité deux schémas dans un cas simple, limitations des simulations
numériques.
• TP1 sur les méthodes numériques
• TP2 sur l'amortissement Landau dans les plasmas non-collisionnels
• TP3 sur un modèle simple de dynamo solaire
UE4: Modules d'approfondissement
3 modules de 25h à choisir dans la liste proposée
UE 41 – Structure et évolution des planètes telluriques / Structure and Evolution of terrestrial
Planets (R. Garcia, D. Baratoux)
• structure des planètes telluriques
Ce cours présente la structure interne des planètes telluriques déterminée à partir d'observations
géophysiques et fournit une courte description de leur dynamique interne. La géochimie et les
équations d'état des matériaux constituants les planètes sont décrits. Puis les contraintes d'ordre zéro
sur la taille, la masse et le moment d'inertie polaire sont présentées à partir de l'étude de la
dynamique orbitale des planètes et des phénomènes de marées. Les relations entre leur champ de
gravité et la structure crustale sont ensuite discutées. Puis, le champ magnétique interne des planètes
et les contraintes sur son évolution sont décris. La sismologie planétaire est ensuite présentée comme
un outil permettant d'obtenir la structure et la dynamique interne des planètes. Finalement, les
concepts des base gouvernant la dynamique interne des planètes sont détaillés.
• Evolution des planètes telluriques
Ce cours illustre la démarche qui permet de reconstruire l’évolution globale d’une planète à partir des
observations de surface (topographie, propriétés physiques, chimiques et minéralogiques des
surfaces). Nous aborderons le processus de cratérisation (physique des ondes de choc dans les
solide), à la fois comment facteur d’évolution de tous les corps du système solaire, et comme outil
chronologique permettant de retracer cette évolution. Nous aborderons ensuite les phénomènes
volcaniques et magmatiques témoins de l’évolution dynamique et thermique de l’intérieur planétaire.
UE 42 – Interactions des planètes avec leur environnement / Interactions of planets with their
environnement (V. Genot, F. Pitout)
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génération du vent solaire et du champ magnétique interplanétaire
description du vent solaire (vent lent/vent rapide), variations avec le cycle solaire
événements transitoires du vent solaire : régions en co-rotation, éjections de masse coronale
interaction du vent solaire avec les planètes
◦ magnétisées : formation du choc et de la magnétopause; modélisation de ces régions
◦ non-magnétisées : participation aux processus d'échappement atmosphérique; interaction
avec l'exosphère
formation de la magnétosphère :
◦ régions caractéristiques; description en terme de courant
◦ dynamique; phénomènes de sous-orages
description de l'ionosphère, couplage magnétosphère-ionosphère; processus auroraux
météorologie spatiale
présentation des outils instrumentaux (spatiaux/sol) et numériques, techniques d'analyse
(observatoires virtuel en physique spatiale)
UE 43 – Formation des étoiles et des systèmes planétaires, phénomènes d’accrétion / Star and
planetary systems formation, accretion phenomena (D. Baratoux, R. Belmont, M. Rieutord)
• Formation stellaire:
Les nuages moléculaires, leur effondrement et leur fragmentation; processus physiques associés au
scenario standard de formation des étoiles. La formation d'une proto-étoile (variation avec la masse)
et le chemin vers la séquence principale (tracés de Hayashi). Perspectives sur les liens entre
formation stellaire et physique des galaxies. Problèmes non résolus.
• La physique des disques d'accrétion:
Ce cours traite de la physique générale des disques d'accrétion et de ses applications aux sources
astrophysiques telles que les disques proto-stellaires et proto-planétaires, les binaires X et les loyaux
actifs de galaxies (AGN). Ce cours présente le modèle standard d'émission des disques d'accrétion, le
rôle des effets relativistes autour des objets compacts, les instabilités des disques, la migration
planétaire et le lien accrétion/éjection.
• Accrétion planétaire, météorites, petits corps et comètes
Ce cours porte sur l'histoire primitive du système solaire vue à travers les météorites, les petits corps,
les comètes et les objets trans-neptuniens. Une étude approfondie des séquences d'équilibre de
condensation dans les disques d'accrétion sera proposée, avec un regard particulier sur la formation
des glaces (comètes) et des minéraux silicatés (astéroïdes, planètes solides). La distribution et la
structure des petits corps seront présentées ainsi que les processus qui les affectent. Les questions
ouvertes et les objectifs des programmes d'exploration récents ou futurs seront abordés (e.g.,
Stardust, Deep impact, Dawn…).
UE 44 – Physique stellaire avancée / Advanced stellar physics (F. Paletou, S. Deheuvels, P.
Petit)
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Sismologie du soleil et des étoiles:
◦ historique des découvertes et études des oscillations stellaires, depuis les Céphéides
jusqu'aux étoiles de type solaire
◦ Equations de propagation des ondes dans les étoiles sphériques et résolution dans le
cadre de l'approximation de Cowling
◦ Les divers types d'ondes et leurs caractéristiques - Diagrammes de propagation Excitation et amortissement des ondes sonores, mécanisme kappa, excitation stochastique
◦ Les oscillations stellaires, outils pour déterminer la structure interne du Soleil et des étoiles
◦ Les grands projets actuels et futurs
Processus de transport dans les étoiles
◦ La convection - Rappels sur la convection et la théorie de la longueur de mélange Pénétration/overshoot dans les zones radiatives, nombre de Péclet - La tachocline solaire
◦ Rotation et circulation méridienne: Rotation et circulation méridienne dans les intérieurs
stellaires - Instabilités liées au cisaillement (rotation différentielle) et transport turbulent L'exemple de la tachocline solaire: turbulence anisotrope
◦ Les autres processus de transport : Transport par les ondes internes - Instabilités
magnétiques et transport de moment cinétique, retour sur la tachocline
Atmosphères stellaires :
◦ Interactions rayonnement-matière, équations de l'équilibre statistique, l'atome à plusieurs
niveaux hors-ETL
◦ Le modèle classique d'atmosphère stellaire: paramètres d'entrée, hypothèses physiques,
outils
◦ Equation de transfert polarisé, solution dans l'approximation de champ faible Spectropolarimétrie : principes de mesure, dispositifs actuels, champ d'applications
UE 45 – Le cycle de la matière et la physique des galaxies / The matter cycle and extragalactic
physics (S. Bottinelli, R. Pello)
1. Cycle de la matière interstellaire
• présentation du MIS (historique, composantes/phases) et du cycle de la matière dans le MIS
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notion de transfert radiatif / détermination des propriétés du gaz (densité, température,
abondances) à partir des observations
poussière (formation, propriétés, composition)
mécanismes de chauffage et refroidissement
nuages moléculaires, formation stellaire, chocs dûs aux flots moléculaires
gaz neutre / régions HI, gaz ionisé / régions HII
chocs, dynamique à grande échelle: restes de supernova et superbulles, avec leur impact sur
le MIS: turbulence, création de bulles de gaz chaud et formation de nuages atomiques ->
moléculaires
champ magnétique (polarisation optique et IR, effet Zeeman, rotation de Faraday, émission
synchrotron, dynamo)
rayonnement cosmique
2. physique des galaxies
• Introduction. Les galaxies et notre Galaxie. Contribution des étoiles et du milieu interstellaire
(MIS) à la distribution spectrale en énergie des galaxies.
• L'Univers Local. Propriétés globales et à grande échelle des galaxies. Mesure des distances
extragalactiques.
• Propriétés cinématiques des galaxies. Propriétés dynamiques des galaxies et mesure des
masses.
• Evolution des galaxies: Concepts et principes. Evolution spectrophotométrique des galaxies.
• Noyaux actifs de galaxies (AGN).
• Les galaxies dans un contexte cosmologique.
UE46 – Astroparticules et cosmologie / Astroparticles and Cosmology (A. Blanchard, A.
Dupays, P. Jean, N. Webb)
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Emission à haute énergie dans les environnements d'objets compacts : Naines blanches,
étoiles à neutrons, magnétars, pulsars miliseconde, étoiles à quarks. Trous noirs et noyaux
actifs de galaxies. Disques d'accrétion. Blazars. Sursauts gamma.
Equation d'état de la matière dense, tests de la relativité générale en champ fort
Rayons cosmiques : Sources potentielles, mécanisme d'accélération de Fermi, coupure GZK
Vide quantique en astrophysique : voisinage des étoiles à neutrons, énergie noire
L'univers à grande échelle : Fonction de luminosité des galaxies, fonction de corrélation et
spectre de puissance, statistiques non-linéaires.
Formation des grandes structures dans l'univers : Théorie linéaire, aspects non-linéaires,
fonction de masse et applications.
Univers primordial : Abondances des particules reliques, matière noire non-baryonique,
inflation, théories modifiées de la gravitation.
UE47 – Traitement avancé du signal et de l'image / Advanced signal and image processind (E.
Zenou)
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Imagerie spatiale
analyse multi-résolution
modèles mathématiques.