Master 1 Physique et Astrophysique parcours Astrophysique et

Master 1
Physique et Astrophysique
parcours
Astrophysique et Techniques Spatiales
Objectifs
La première année du Master Astrophysique et
Techniques Spatiales vise à compléter les connaissances
en physique des étudiants issus des licences à dominante
physique tout en proposant un début de spécialisation
orientée vers les grands domaines d'application de la
physique que sont l'astrophysique, la planétologie, et les
sciences de l'espace. Dans ce contexte, l'ensemble des
techniques utilisées pour construire une instrumentation
adaptée à l'observation des objets astrophysiques et
planétaires occupent une place prépondérante. Cette
formation peut se poursuivre par un Master Recherche
Astrophysique, Sciences de l’Espace, Planétologie ou
par un Master Techniques Spatiales et Instrumentation.
Elle offre enfin la possibilité d’intégrer des filières
spécifiques pour préparer les concours de
l’enseignement secondaire (agrégation de physique et
CAPES).
Le premier semestre d’enseignement est consacré à
compléter les connaissances en physique pour
l’astrophysique et les techniques spatiales. Le second
semestre est entièrement dédié à l’astrophysique et aux
techniques spatiales. Il se termine par un projet tutoré
Initiation à la recherche.
Admission
Formations requises
Licence de Physique, Licence es sciences physiques.
Poursuite d’études
Deuxième année de Master (recherche ou professionnel),
préparation à l’agrégation des sciences physiques.
Programmes
Description des semestres, des UE et des ECTS.
Premier semestre (30 ECTS)
UE1 (9)!: Physique non linéaire et méthodes
numériques
UE2 (6)!: Mécanique des fluides
UE3 (6)!: Physique de la matière
UE4 (6)!: Physique expérimentale
UE5 (3)!: Langues vivantes
Second semestre (30 ECTS)
UE6 (6)!: Astrophysique expérimentale
UE7 (9)!:Astrophysique
UE8 (6)!: Physique des plasmas, astrochimie
UE9 (6)!: Gestion et analyse des données en
Astrophysique
UE10 (3)!: Module d’ouverture
Le nombre d’ECTS est donné entre parenthèses.
Contacts
Responsable de la formation!:
Mr. Pierre JEAN
[email protected]
05 61 55 67 44
Scolarité (inscription, transferts arrivées,
remboursements)!:
Mme. Marie-Odile LAURENT
05 61 55 68 26
Secrétariat pédagogique (emplois du temps, relevés de
notes, diplômes, transferts départs)!:
Mme. Valérie BESOMBES
05 61 55 68 27
Informations complémentaires
http://www.cesr.fr/~pvb/m1astro

SYLLABUS DU MASTER 1
PHYSIQUE, ASTROPHYSIQUE
PARCOURS
ASTROPHYSIQUE ET TECHNIQUES
SPATIALES
2M73PYM!: Physique non linéaire et
méthodes numériques
2M73PY1!: Physique non linéaire
(24 h Cours, 24 h TD - 5 ECTS)
Responsable!: K. Frahm
Pré-requis!: Mécanique classique niveau Licence
Syllabus!:
1) Un exemple typique de comportement non-linéaire en
physique : Motivation générale ; Convection de
Rayleigh-Bénard ; Modèle de Lorenz et élimination
adiabatique
2) Introduction aux systèmes dynamiques différentiels :
Transformation vers un système d'ordre 1 et équation
intégrale ; Rappel des méthodes mathématiques,
coordonnées polaires ; Espace de phases, portrait de
phase ; Systèmes conservatifs et dissipatifs ;
Classification des systèmes linéaires et des points fixes
en deux dimensions ; Systèmes hamiltoniens
3) Points fixes et linéarisation locale, Hyperbolicité :
Stabilité linéaire de points fixes, linéarisation locale ;
Exemples en physique, biologie, astronomie ; Les
modèles de Lotka et Volterra ; Dynamique d'une
particule amortie dans un potentiel ; Stabilités des points
de Lagranges; Hyperbolicité et validité de la
linéarisation ; Variétés stables et instables ; Equivalence
topologique ; Exemples de points fixes non-
hyperboliques ; Théorème de linéarisation de Poincaré,
forme normale d'un sytème différentiel
4) Cycles limites : Définition et théorème de Poincaré-
Bendixson ; Stabilité linéaire d'un cycle limite ;
Oscillateur de Van der Pol
5) Méthodes de perturbations : Méthode des échelles
multiples ; Application à l'oscillateur de Van der Pol
forcé, accrochage de fréquence, résonance paramétrique
6) Applications, orbites périodiques, sections de
Poincaré : Notions de points fixes, points périodiques,
stabilité, applications conservatives, hyperbolicité ;
Analogies et différences avec des systèmes différentiels ;
Section de Poincaré, application de premier retour ;
Application standard de Chirikov et rotateur pulsé
7) Bifurcations pour les systèmes différentiels et les
applications : Stabilité structurelle et variété centrale ;
Bifurcations pour les systèmes différentielles :
bifurcations de type noeud-col et de Hopf ; Bifurcations
pour les applications : noeud-col, Hopf et bifurcations
sous-harmoniques
8) Chaos temporel dans les systèmes dissipatifs,
attracteurs étranges : Comportement asymptotique,
attracteurs, fonction d'auto-corrélation ; Ensembles
fractales, dimension de Hausdorff, attracteurs étranges;
Chaos : sensibilités aux conditions initiales, repliement
et dissipativité, propriétés de mélange ; Discussion
détaillée du modèle de Lorenz et de son attracteur
chaotique ; Applications chaotiques en une dimension ;
Route vers le chaos : cascade sous-harmonique,
intermittences, quasi-périodicité
2M73PY2!: Méthodes numériques pour la Physique
(24 h Cours, 24 h TD - 4 ECTS)
Responsable!: M. Djafari-Rouhani
Syllabus!:
1) La résolution des équations et systèmes différentiels
2) La technique de Monte Carlo et la génération
d'aléatoires
3) Les techniques de minimisation
4) La diagonalisation des matrices
5) La transformation de Fourier rapide
2M7UA2M!: Mécanique des fluides
2M7UA21!: Mécaniques des fluides et transferts
thermiques
(18 h Cours, 18 h TD - 4 ECTS)
Responsable!: F. Auclair
Syllabus!:
1) Introduction aux équations de base de la dynamique
des fluides. Notion de fluide newtonien/non-newtonien,
loi de Fourier, loi de Fick, notion de perturbation à
l’équilibre thermodynamique ( coefficients d’Onsager).
2) Applications de l’équation de Navier-Stokes en
fluide incompressible. Notion de couche limite,
exemple de la couche limite atmosphérique.
3) Notion de stabilité d’un écoulement. Exemple de la
convection thermique de Rayleigh-Bénard.
4) Introduction à la turbulence. Théorie de
Kolmogorov.
5) Introduction à la dynamique des fluides en rotation.
Applications astrophysiques et géophysiques.
6) Travaux pratiques: Mesure de la viscosité d’un
fluide; Turbulence : étude du profil de vitesse dans un
jet d’air turbulent; Stabilité : Manip. De Reynolds
(transition vers la turbulence); Convection thermique

2M7UA22!: Eléments de thermodynamique hors
équilibre
(12 h Cours, 12 h TD, 6 h TP - 2 ECTS)
Responsable!: R. Fournier
Syllabus!:
1) Introduction a la théorie du transport (équation de
Boltzmann)
2) Rayonnement : Equation de transfert radiatif en
milieu absorbant et diffusant, application au
rayonnement thermique. Approches macroscopiques du
rayonnement (formulations intégrales et approximation
diffuse, lien avec la diffusion thermique, phonons).
3) Dynamique des gaz : Approximation du temps de
relaxation (BGK). Passage à l'équation d'Euler. La
viscosité sous l'angle mésoscopique (éléments sur le
passage à l'équation de Navier-Stokes)
2M73UAM!: Physique de la matière
2M73UA1!: Physique atomique et moléculaire
(24 h Cours, 24 h TD - 3 ECTS)
Responsable!: A. Beswick
Pré-requis!: Mécanique quantique niveau Licence
Syllabus!:
1) Atomes à plusieurs électrons : Les nombres
quantiques et le principe d'exclusion de Pauli ;
Configurations électroniques : couches et sous-couches ;
La classification périodique des éléments ; Interaction
spin-orbite : couplage L-S et jj, règle de Hund ;
Spectroscopie : Règles de sélection pour les transitions
dipolaires électriques et spectres visibles, spectres de
rayons X.
2) Effets des champs extérieurs : Champs magnétiques :
effet Zeeman en champ faible et effet Paschen-Back en
champ fort ; Le magnétisme d'un atome possédant un
spin nucléaire : effet Back-Goudsmit en champ fort ;
Champs électriques : effet Stark linéaire et quadratique.
3) Molécules : Approximation de Born-Oppenheimer et
séparation du mouvement électronique ; Orbitales et
liaison chimique ; Structure électronique et transitions
optiques ; Vibrations : approximation harmonique et
modes normaux ; Spectroscopie infrarouge et Raman ;
Rotations : approximation du rotateur rigide ; Bandes
rotationnelles dans les spectres vibrationnels.
4) Méthodes expérimentales : Les différentes
spectroscopies : radiofréquences, infrarouge, optique,
UV, VUV et rayons X ; Fluorescence induite par laser et
expériences pompe-sonde impulsionnelles ; Collisions
électroniques et atomiques.
2M73UA2!: Physique nucléaire et physique des
particules
(18 h Cours, 18 h TD - 3 ECTS)
Responsable!: P. Jean
Pré-requis!: Mécanique quantique niveau Licence,
Relativité, Physique nucléaire niveau Licence.
Syllabus!:
I - Physique nucléaire
1) Rappels de physique nucléaire : modèles nucléaires,
énergie de liaison et stabilité des noyaux, radioactivité.
2) Les réactions nucléaires : étapes d'une réaction
nucléaire, réactions nucléaires résonantes et non
résonantes, sections efficaces, facteur de pénétration de
la barrière coulombienne, écrantage électronique.
3) Calculs de nucléosynthèse : taux de réactions
nucléaires dans les plasmas, énergie de Gamow,
réseaux de réactions nucléaires, bilan en énergie.
4) Méthodes expérimentales et observations : mesures
de sections efficaces, nucléochronologie, spectrométrie
gamma, astronomie gamma nucléaire.
II - Introduction à la physique des particules
1) Particules et interactions fondamentales : les
constituants de la matière (leptons, baryons, mésons,
quarks), nombres quantiques (leptonique, baryonique,
étrangeté...), les quanta d'interactions (photon, bosons
W± et Z0, gluons, graviton),
2) Diffusion et interactions entre particules : lois de
conservation, cinématique (quadrivecteur énergie-
impulsion, variables de Mandelstam), énergie seuil,
désintégration.
3) Le rayonnement cosmique : sites d’accélération de
particules chargées (chocs, jets, pulsars, etc...) et
processus émissifs (inverse Compton, freinage,
synchrotron, production de pions, cascades hadronique
et électromagnétique, Cerenkov...).
2M74UAM!: Physique expérimentale
2M74UA1!: Physique du solide
(6 h Cours, 6 h TD - 2 ECTS)
Responsable!: F. Pettinari-Sturmel
Syllabus!:
1) Introduction : les différents états de la matière, la
liaison cristalline
2) Structure cristalline (réseau, base, maille
élémentaire, réseau de Bravais, indices des plans
cristallographiques)
3) Diffraction cristalline et réseau réciproque
(diffraction de RX, neutronique, électronique; Loi de
Bragg, vecteur du réseau réciproque, conditions de
diffraction, zone de Brillouin)

4) Modèles classique et quantique du gaz d'électrons
libres (modèles de Drude et Sommerfeld, fonction
d'onde, énergie de Fermi, propriétés physiques des
métaux)
5) Les électrons dans un cristal, bandes d'énergie
(fonctions de Bloch, bande de valence, bande de
conduction)
6) cristaux semi-conducteurs (bande interdite, électron-
trou, masse effective)
2M74UA2!: Physique expérimentale, instrumentation
(3 h Cours, 33 h TP - 4 ECTS)
Responsable!: F. Pettinari-Sturmel
Pré-requis!: Instrumentation niveau Licence.
Syllabus!:
I - Travaux pratiques de physique
- Diffusion Compton
- Spectrométrie alpha
- Oscillateurs non linéaires
- Résonance paramagnétique électronique
- Effet Zeeman
II - Travaux pratiques d'instrumentation
- Initiation au logiciel Labview
- Pilotage d'une carte d'acquisition
- Pilotage d'instruments
- Applications : expériences de mesures physiques
(régulation de température, vélocimétrie par ultrason,
réponse d'un système...).
2M7UA3M!: Langues vivantes
(24 h TD - 3 ECTS)
Responsable!: F. Connerade
2M80UAM!: Astrophysique expérimentale
2M80UA1!: Instrumentation en astrophysique
(12 h Cours, 42 h TP - 4 ECTS)
Responsable!: P. von Ballmoos
Syllabus!:
I - Cours :
1) Introduction - les canaux d'information en
astrophysique : rayonnement électromagnétique (des
ondes radio au rayonnement gamma) ; les échantillons
(météorites, exploration planétaire et cométaire, mesures
in-situ) ; les particules (le rayonnement cosmique, le
vent solaire, les neutrinos) ; les ondes gravitationnelles
2) Télescopes radio et submillimétriques : domaine
fréquentiel et sources ; réflecteurs (paraboliques,
hyperboliques, sphériques) ; récepteurs (Schottky, SIS,
photo-conducteurs, photo-voltaïques, bolomètres) ;
imagerie, spectroscopie, astrométrie, polarimétrie ;
réseaux de télescopes (interféromètres, VLBI)
3) Télescopes optiques et infra-rouge : domaine
fréquentiel et types de sources ; télescopes classiques à
miroir ; optique adaptative et traitement d'image
associé ; détecteurs IR (bolomètres, CCD, matrices,
chaînes hétérodynes ...) ; détecteurs optiques (photo,
CCD, bruit, efficacité ...) ; spectroscopie (dispersive,
non-dispersive) ; optique gravitationnelle
4) Télescopes UV et X : domaine énergétique et
sources ; optique (sténopé, incidence rasante, miroirs,
Wolter, multicouches) ; détecteurs (CCD,
microchannel plates, microcalorimètres) ; imagerie,
spectroscopie
5) Télescopes gamma et très hautes énergies : domaine
énergétique et sources optiques (masques codés,
Compton, hodoscopes, lentilles gamma, Cerenkov) ;
détecteurs (gaz, scintillateurs, photomultiplicateurs,
semi-conducteurs, bolomètres) ; télescopes spatiaux et
télescopes sol; imagerie, spectroscopie
II - Travaux Pratiques :
1) Instrumentation CCD : électronique et pilotage :
principe du fonctionnement d’une caméra CCD,
visualisation des signaux, modification du pilote/«
driver » de la caméra
2) Imagerie CCD : traitement d’images : acquisition
d’image, pathologies, smearing etc…, traitement de
base de l’image, soustraction du bruit de fond,
correction de PLU, FFT…
3) Spectroscopie : Spectroscopie optique : utilisation
d’un grisme couplé à une caméra CCD, calibration et
acquisition de spectre, analyse et interprétation
4) Magnétisme : Mesure de champ magnétique :
réalisation et réglage d’un magnétomètre, mesure du
champ par détection synchrone.
5) Spectroscopie gamma : conditionnement d’un
détecteur germanium, calibration, analyse de spectres
et mesures de l’intensité de raies issues de source
radioactives
6) Imagerie gamma : réalisation d’un système
d’imagerie en gamma par modulation temporelle,
acquisition et traitement des données, mesure des
performances, résolution spatiale.
7) Télescope à muons : Mesure des muons
atmosphériques : réalisation et réglage d’un système de
détection par coïncidence, mesure et calcul de
l’intensité des muons produits par le rayonnement
cosmique.

2M80UA2!: Astrométrie et Observation
(6 h Cours, 6 h TP - 2 ECTS)
Responsable!: J.F. Leborgne
Syllabus!:
1) Astrométrie
- Systèmes de coordonnées astronomiques, Précession,
Nutation, aberration
- Transformations de coordonnées, Trigonométrie
sphérique
- Matérialisation des repères spatiaux, position d'un objet
dans le ciel
- Echelles de temps: Le temps atomique; Les temps
universel, solaire, sidéral, Date julienne
- Parallaxes stellaires
2) Photométrie Stellaire
- Mesure des flux lumineux en astrophysique (visible,
proche infrarouge)
- Echelle des magnitudes; Réponse des détecteurs et
transmission atmosphérique
- Systèmes photométriques; mesure des paramètres
physiques des étoiles
- Extinction interstellaire
2M81UAM!: Astrophysique
2M81UA1!: Physique stellaire
(18 h Cours, 18 h TD - 3 ECTS)
Responsable!: S. Vauclair
Syllabus!:
1) Introduction générale : le Soleil et les étoiles, «
BGGE » (boules de gaz géantes dans l’espace), limites
de stabilité des étoiles (discussion sur les naines brunes
et les étoiles supermassives)
2) Bases observationnelles de la physique stellaire :
Distances, magnitudes, luminosité, indices de couleur,
types spectraux, température effective, diagramme H. R.,
âges, masses, relation masse-luminosité
3) Structure interne des sphères auto-gravitantes :
première approche!; Echelles de temps (chute libre,
Kelvin-Helmholtz, nucléaire) ; équilibre hydrostatique,
théorème du viriel en milieu continu et applications ;
zones radiatives et convectives, critère de Schwarzschild
4) Réactions nucléaires : Généralités sur les taux de
réactions, application aux réactions nucléaires dans les
étoiles : chaînes pp, cycles CNO, combustion de
l’hélium, etc.
5) Evolution stellaire des étoiles à symétrie sphérique
(sans rotation ni champ magnétique) : Traces évolutives,
variations des paramètres le long de la séquence
principale, interprétation des diverses étapes de
l’évolution, rôle des réactions nucléaires, rôle de la
convection, étude des stades évolués d’évolution
stellaire.
6) Phénomènes de transport : Retour sur la convection :
influence de la composition chimique, critère de
Ledoux, semi-convection et convection thermohaline ;
diffusion microscopique, mélange induits par la
rotation, effets de rotation différentielle, perte de
masse, ondes internes
7) Hélio et astérosismologie : première approche,
Modes sismiques, ondes p, ondes g, comparaison avec
les modèles, effets de la diffusion de l'hélium,
contraintes sur les neutrinos, etc.
8) Introduction au magnétisme stellaire : origine et
impact des champs magnétiques (dynamos stellaires,
champs magnétiques fossiles, accrétion/éjection lors de
la formation stellaire, couronnes actives, cas particulier
du Soleil), méthodes observationnelles de
caractérisation des champs magnétiques.
2M81UA2!: Cosmologie et physique des galaxies
(18 h Cours, 18 h TD - 3 ECTS)
Responsable!: A. Blanchard
Syllabus!:
I - Cosmologie
1) Cosmographie : le principe Cosmologique, la
métrique de Friedman-Robertson-Walker ; le décalage
vers le rouge.
2) Cosmologie et Modèle Standard : Equations de
Friedman ; Solutions simples des équations de
Friedman (univers dominé par la matière, par le
rayonnement, cas d'une constante cosmologique
importante et inflation) ; modèles à constante
cosmologique, les paramètres cosmologiques et leur
détermination actuelle
3) L'histoire thermique de l'Univers : la nucléosynthèse
primordiale, la matière noire, le fond diffus
cosmologique
II - Physique des galaxies
1) Introduction : les ordres de grandeur, présentation de
l'univers proche (le groupe local, l'amas Virgo, le
super-amas local) ; classification morphologique des
galaxies (classification de Hubble, classification de
Vaucouleurs), galaxies particulières, galaxies actives.
2) La Galaxie - un exemple de galaxie et de ses
contenus : distribution de ses différentes composantes ;
le milieu interstellaire (poussières et gaz) - régions
photo ionisées, les nuages HI, les nuages moléculaires ;
les populations stellaires, l'IMF ; le centre galactique
3) Propriétés cinématiques et dynamiques des galaxies
: profil et distribution de luminosité (bulbes et disques),
galaxies spirales, galaxies elliptiques ; dynamique des
galaxies: modèles de système autogravitant, sphère
isotherme, modèle de King, rapport M/L