Histoire de la cosmologie
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Histoire de la cosmologie Un cours offert aux étudiants de la Faculté des lettres, de la Faculté de biologie et de médecine, de la Faculté de géosciences et environnement, de la Faculté des sciences sociales et politiques et de la Faculté de théologie et de sciences des religions de l’Université de Lausanne dans le cadre de « Sciences au carré » Histoire de la cosmologie Histoire de la cosmologie 10 – Etoiles et galaxies Prof. Georges Meylan Laboratoire d’astrophysique Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne Site web du laboratoire et du cours : http://lastro.epfl.ch 10.1 Etoiles et amas d’étoiles 10.2 Naissance des étoiles 10.3 Diagrammes H-R et C-M 10.4 Mort des étoiles 10.5 Nébuleuse ou galaxie 10.6 La Voie lactée, notre Galaxie 10.7 Classification morphologique des galaxies 10.8 Groupes et amas de galaxies Voir le fichier 10-EtoilesetGalaxies.pdf sur le site web du laboratoire et du cours : http://lastro.epfl.ch Histoire de la cosmologie 08.1 Etoiles et amas d’étoiles 10 – Etoiles et galaxies Bibliographie succincte • • • • CELNIKIER, Ludwik M. Find a Hotter Place ! A History of Nuclear Astrophysics. London : World Scientific, 2006. CHABERLOT, Frédéric. La Voie Lactée : Histoire des conceptions et des modèles de notre Galaxie des temps anciens aux années 1930. Paris : CNRS Editions, 2003. COLLIN-ZAHN, Suzy. Des quasars aux trous noirs. Paris : EDP, 2009. LUMINET, Jean-Pierre. Le destin de l’Univers. Paris : Fayard, 2006. APOD 2010 April 18 APOD 2010 April 18 Grande éruption solaire Grande éruption solaire Satellite Stereo NASA Satellite Stereo NASA Notre Soleil est une étoile isolée rayon = 700’000 km à 150’000’000 km de la Terre rayon = 700’000 km à 150’000’000 km de la Terre Un amas ouvert tel que les Pléiades contient quelques centaines d’étoiles Amas ouvert h et χ Per L’amas globulaire 47 Tucanae Un amas globulaire contient quelques millions d’étoiles Un amas globulaire tel que ω Centauri contient quelques millions d’étoiles WFI camera at the 2.2-m MPG-ESO telescope at La Silla Observatory Un amas globulaire tel que ω Centauri contient quelques millions d’étoiles Un amas globulaire tel que ω Centauri contient quelques millions d’étoiles WFI camera at the 2.2-m MPG-ESO telescope at La Silla Observatory WFI camera at the 2.2-m MPG-ESO telescope at La Silla Observatory Un amas globulaire tel que ω Centauri contient quelques millions d’étoiles l’amas globulaire géant Omega Centauri VST ESO Paranal Chili June 2011 l’amas globulaire géant Omega Centauri VST ESO Paranal Chili June 2011 l’amas globulaire géant Omega Centauri VST ESO Paranal Chili June 2011 Visible/infrared comparison views of the newly discovered globular cluster VVV CL001 Problème à N corps Let a number, N, of particles interact classically through Newton's Laws of Motion and Newton's inverse square Law of Gravitation. The resulting equations of motion provide an approximate mathematical model with numerous applications in astrophysics, including the motion of the moon and other bodies in the Solar System (planets, asteroids, comets and meteor particles); stars in stellar systems ranging from binary and other multiple stars to star clusters and galaxies; and the motion of dark matter particles in cosmology. For N=1 and N=2 the equations can be solved analytically. The case N=3 provides one of the richest of all unsolved dynamical problems -- the general three-body problem. For problems dominated by one massive body, as in many planetary problems, approximate methods based on perturbation expansions have been developed. In stellar dynamics, astrophysicists have developed numerous numerical and theoretical approaches to the problem for larger values of N, including treatments based on the Boltzmann equation and the Fokker-Planck equation; such N-body systems can also be modelled as self-gravitating gases, and thermodynamic insights underpin much of our qualitative understanding. Douglas Heggie http://fr.arxiv.org/abs/astro-ph/0503600v2 ESO VISTA October 2011 Les trois lois de la mécanique newtonienne • Lex prima : de Newton Tout corps persévère dans l’état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme à moins que quelque force n’agisse sur lui et ne le contraigne à changer d’état » • Lex secunda : de Newton Les changements qui arrivent dans le mvt sont proportionnels à la force motrice et se font dans la ligne droite dans laquelle cette force a été imprimée » • Lex tertia : de Newton L’action est toujours égale et opposée à la réaction, i.e., que les actions de deux corps l’un sur l’autre sont toujours égales et de direction opposées » Problème à deux corps Problème à deux corps Problème à deux corps Problème à deux corps Problème à deux corps 08.2 Naissance des étoiles effondrement gravitationnel de nuages de gaz et de poussière la turbulence crée une hiérarchie de condensations comme la turbulence diminue localement, la contraction s’amorce dans chacune des condensations comme la turbulence diminue localement, la contraction s’amorce dans chacune des condensations tandis que des régions se contractent, des condensations individuelles s’effondrent et forme des étoiles tandis que des régions se contractent, des condensations individuelles s’effondrent et forme des étoiles tandis que des régions se contractent, des condensations individuelles s’effondrent et forme des étoiles tandis que des régions se contractent, des condensations individuelles s’effondrent et forme des étoiles dans les amas d’étoiles denses, des condensations peuvent fusionner lors de leur effondrement et donc contenir plusieurs proto-étoiles dans les amas d’étoiles denses, des condensations peuvent fusionner lors de leur effondrement et donc contenir plusieurs proto-étoiles dans les amas d’étoiles denses, des condensations peuvent fusionner lors de leur effondrement et donc contenir plusieurs proto-étoiles dans les amas d’étoiles denses, des condensations peuvent fusionner lors de leur effondrement et donc contenir plusieurs proto-étoiles dans les amas d’étoiles denses, les effets dynamique à N-corps influencent la croissance des masses dans les amas d’étoiles denses, des condensations peuvent fusionner lors de leur effondrement et donc contenir plusieurs proto-étoiles les rencontres gravitationnelles peuvent induire l’éjection d’étoiles les vents stellaires mettent fin à la formation d’étoiles il résulte un amas d’étoiles, parfois entouré d’une région HII 30 Doradus HST NASA/ESA Equilibre hydrostatique Equilibre hydrostatique Durant la séquence principale, l'étoile est en équilibre hydrostatique, elle subit deux forces qui s'opposent et la maintiennent en équilibre : d'une part les réactions thermonucléaires qui ont lieu au cœur de l'étoile exercent une pression (gazeuse et radiative) qui tend à la faire augmenter de volume, ce qui entraîne une diminution de la température de l'étoile ; d'autre part les forces de gravité reprennent le dessus lorsque la pression (gazeuse et radiative) diminue, elles ont tendance à la faire se contracter et donc à augmenter la température de l'étoile, de sorte que les réactions nucléaires s'intensifient et que la pression (gazeuse et radiative) augmente à nouveau. en tout point, le gradient de pression équilibre la gravitation en tout point, le gradient de pression équilibre la gravitation La constellation d’Orion contient une pouponnière d’étoiles La constellation d’Orion La nébuleuse d’Orion vue par le Hubble Space Telescope Gas Pillars in the Eagle Nebula (M16) : Pillars of Creation in a Star-Forming Region NASA/ESA Gas Pillars in the Eagle Nebula (M16) : Pillars of Creation in a Star-Forming Region NASA/ESA Carina HST NASA/ESA HST NASA/ESA 08.3 Diagrammes H-R et C-M formation d’une étoile et d’un disque, lieu de futures planètes Evolution stellaire Deux diagrammes (l’un théorique, l’autre observationnel) permettent d’étudier les populations stellaires. Ils ont aidé, vers le milieu du 20e siècle, à établir la théorie de l'évolution stellaire. Théorique : le diagramme de Hertzsprung-Russell (HRD) est un graphe montrant la luminosité d'un ensemble d'étoiles en fonction de leur température effective. Luminosité vs. Température ( L vs. Teff ) Observationnel : le diagramme Couleur-Magnitude (CMD) est un graphe montrant la magnitude (luminosité) d'un ensemble d'étoiles en fonction de leur indice de couleur B-V (température effective). Magnitude vs. Indice de couleur (mV vs. B-V) CMD color-magnitude diagram HRD Hertzsprung-Russell diagram Centre de l’amas globulaire ω Centauri HST – WF3 CMD color-magnitude diagram 41453 étoiles mesurées par le satellite Hipparcos de l’ESA ce que les astronomes voient ce que les astronomes voient 3) Red Giant Branch 3) Red Giant Branch 5) White Dwarf Sequence 4) Horizontal Branch 1) Main Sequence 2) SubGiant Branch luminosité L 4) Horizontal Branch 5) White Dwarf Sequence 1) Main Sequence température T 2) SubGiant Branch il est facile d’identifier les étoiles RGB HB BSs SGB MSTO WDs Red Dwarfs Isochrones stellaires 1 million d'années 1 milliard d'années l'âge est indiqué via le logarithme du nombre d’années 10 milliard d'années diagrammes couleur-magnitude de quelques amas ouverts HB RGB TO SGB MS WD diagrammes couleur-magnitude de deux amas ouverts diagramme couleur-magnitude d’un amas globulaire The triple main sequence of the globular cluster NGC 2808, taken from Piotto et al. 08.4 Mort des étoiles Kalirai J S , Richer H B Phil. Trans. R. Soc. A 2010;368:755-782 ©2010 by The Royal Society « explosion » lente A sequence of six images taken by the HST / ACS shows a probe of the three-dimensional structure of the shells of dust surrounding the aging star V838 Monocerotis. The sequence reveals dramatic changes in the way a brilliant flash of light from the star is reflecting off surrounding dusty cloud structures. The effect, called a light echo, has been unveiling never-before-seen dust patterns ever since the star suddenly brightened for several weeks in early 2002. NASA - ESA V838 Mon HST - 2 Sept. 2002 HST / ACS NASA - ESA V838 Mon HST – 20 May 2002 HST / ACS NASA - ESA V838 Mon HST – 28 Oct. 2002 HST / ACS NASA - ESA V838 Mon HST - 17 Dec. 2002 HST / ACS NASA - ESA The Cat's Eye Nebula : Dying Star Creates Fantasy-like Sculpture of Gas and Dust NASA/ESA The Cat's Eye Nebula : Dying Star Creates Fantasy-like Sculpture of Gas and Dust NASA/ESA The Eskimo Nebula (NGC 2392) NASA/ESA « explosion » catastrophique novae et super-novae La nébuleuse du Crabe une belle application de la conservation du moment cinétique The Helix Nebula VISTA/ESO Etoiles à neutrons et pulsars IΔ = Etoiles à neutrons et pulsars ∑m α L Δ = IΔ ω une belle application de la conservation du moment cinétique € gravitation, de Les étoiles à neutrons se forment lors de l’effondrement, sous sa propre l’intérieur d’une étoile massive, pour atteindre un très petit rayon et donc une très grande € densité. Supposons le noyau d’une telle étoile ayant le rayon du Soleil R! = 7 × 105 km avant l’effondrement, mais d’une masse double de celle du Soleil, effectuant une rotation en 10 jours. Si ce noyau s’effondre en une étoile à neutrons de 10 km de rayon, qu’elle est sa nouvelle vitesse de rotation ? La nébuleuse du Crabe L’étoile est supposée uniforme pour tout temps t. L’étoile isolée (pas de forces externes) permet d’utiliser la conservation du moment angulaire : Ii ω i = I f ω ωf € #2 2 & % 5 M i Ri ( Ii Ri2 = ωi = % (ω i = 2 ω i 2 If Rf % M f R 2f ( $5 ' La fréquence f = ω/(2π) ⇒ une belle application de la conservation du moment cinétique € dα2 α f car il n’y a pas de perte de masse m = cte. € # 7 ×10 5 km & 2 1 rev ff =% = 6 ×10 3 rev /s ( $ 10 km ' 10 j(24h / j)3600(s /h) Etoiles à neutrons et pulsars une supernova : avant et après une belle application de la conservation du moment cinétique SN 1987A dans le Grand Nuage de Magellan SN 1987A HST NASA-ESA Les principaux constituants de notre Galaxie: le Soleil et les autres étoiles SN 1987A HST NASA-ESA dévoile 08.5 Nébuleuses ou Galaxies Hubble& la nature • FRC&:& réelle des nébuleuses : extragalactiques 1925-1929 Edwin Hubble 1889-1953 galaxies& Tout change avec la découverte de céphéides par Edwin Hubble dans trois nébuleuses: Jusqu’en 1925 confusion entre des objets de natures totalement différentes 100-inch Hooker telescope, 1917, Mount Wilson galaxies& planetary&nebula& nébuleuse planétaire IC 418 ACS Hubble Space Telescope galaxie NGC 7742 galaxies& galaxies& ACS Hubble Space Telescope NASA/ESA Messier 31 ≡ galaxie d’Andromède Messier 31 ≡ galaxie d’Andromède 1 pc = 3.26 al = 31’000’000’000’000 km = 3.1 1013 km en 1925, 1926, 1929 (NGC6822, M33, M31) Hubble fait passer ces 3 objets du rang de nébuleuses locales à celui de systèmes stellaires « extragalactiques ~ 200 milliards d’étoiles Cela confirme la théorie des Univers-îles » diamètre = 50 kpc = 50’000 pc = 1’600’000’000’000’000’000 km = 1.6 1018 km Messier 31 ≡ galaxie d’Andromède 08.6 La Voie lactée, notre galaxie une galaxie spirale semblable à notre galaxie la Voie lactée La Voie lactée La Voie lactée depuis le Creux-du-Van La Voie lactée depuis le Creux-du-Van depuis Paranal Chili La Voie lactée depuis Paranal Chili La Voie lactée depuis Paranal Chili Centre de notre Galaxie observé dans l’IR Introduction à l’astrophysique: Structure et dynamique de la Voie Lactée La Voie lactée et le Centre galactique depuis Paranal Chili Introduction à l’astrophysique: La Voie Lactée Introduction à l’astrophysique: La Voie Lactée Variations de la luminosité des étoiles proches du centre galactique Variations de la position des étoiles proches du centre galactique Orbite d’une étoile autour du centre galactique SgrA Masse de l’objet central SgrA dans notre Galaxie : un très probable trou noir de 2.6 millions de masses solaires Introduction à l’astrophysique: Structure et dynamique de la Voie Lactée Introduction à l’astrophysique: Structure et dynamique de la Voie Lactée Trous noirs stellaires de 5 à 30 masses solaires Trous noirs supermassifs de 105 à 1011 masses solaires Star cluster surrounds wayward black hole in cannibal galaxy ESO 243-49 Croquis de la Voie lactée This spectacular edge-on galaxy, called ESO 243-49, is home to an intermediate-mass black hole that may have been purloined from a cannibalised dwarf galaxy. The black hole, with an estimated mass of 50 million Suns, lies above the galactic plane. This is an unlikely place for such a massive back hole to exist, unless it belonged to a small galaxy that was gravitationally torn apart by ESO 243-49. Notre Galaxie vue de l’intérieur La surface de la Terre 14&Sept.&2009&&h=p://www.gigagalaxyzoom.org& Introduction à l’astrophysique: Structure et dynamique de la Voie Lactée 08.7 Classification morphologique des galaxies spirales – elliptiques – irrégulières une galaxie spirale M81 (NGC 3031) Notre univers est en expansion à partir d’une phase dense et chaude Classification morphologique des galaxies selon la séquence de Hubble son observation dévoile l’évolution des galaxies Cette phase initiale a eu lieu voilà environ 14 milliards d’années Localement, beaucoup de spirales et peu d’irrégulières Dans le passé, moins de spirales et beaucoup d’irrégulières La galaxie sphéroïdale naine (dSph) Fornax La galaxie sphéroïdale naine Leo I distance ~ 250 kpc ESO WFI 2.2-m La galaxie sphéroïdale naine Pegasus NGC 1132 HST NASA/ESA Une galaxie cD, elliptique géante NGC 1132 HST NASA/ESA Une galaxie cD, elliptique géante NGC 1316 ESO-VLT Une galaxie elliptique cD M87 et plusieurs compagnons elliptiques! Une galaxie elliptique trou noir supermassif de 109 masses solaires dans le centre de M104 = NGC 4594 Kormendy 1996 ApJ 473 L91 NGC 7049 M101 HST NASA/ESA NGC 1300 HST NASA/ESA NGC 1300 HST NASA/ESA NGC 1300 HST NASA/ESA M109 NOAO Une galaxie spirale barrée galaxie spirale NGC 2217 BVR ESO 3.6m galaxie spirale Messier 95 La Galaxies M81 observée avec HST La Galaxies M81 observée avec HST BVR ESO VLT La Galaxies M81 observée avec HST (visible), Galex (UV) et Spitzer (IR) La Galaxies M81 observée avec HST (visible), Galex (UV) et Spitzer (IR) La Galaxies M81 observée avec HST La Galaxies M81 observée avec HST (visible), Galex (UV) et Spitzer (IR) La galaxies spirale NGC 891 Une galaxie irrégulière : le Grand Nuage de Magellan! APOD 1 March 2010 UGC10214 Tadpole et 6,000 autres galaxies HST-ACS NASA-ESA 3.2'×4.0' Sloane Digital Sky Survey UGC10214 Tadpole et 6,000 autres galaxies HST-ACS NASA-ESA 3.2'×4.0' The disturbed galactic duo NGC 3169 and NGC 3166 WFI ESO La Silla Chile April 2011 a pair of interacting galaxies called Arp 273 HST NASA/ESA April 2011 Cluster of young, blue stars encircling HLX-1, a possible intermediate-mass black hole, which may once have been at the core of a now-disintegrated dwarf galaxy. NGC 2623 = Arp 243 NGC 4676 The Mice Galaxies HST NASA/ESA HST NASA/ESA October 2009 Voir le site web : http://terpsichore.stsci.edu/~summers/viz/mhs/ NGC 7252 = Arp 226 Very deep image produced by ESO Wide Field Imager on the MPG/ESO 2.2-metre telescope at ESO La Silla Observatory Chile. Nov 2010 NGC 7252 = Arp 226 NGC 7252 = Arp 226 Very deep image produced by ESO Wide Field Imager on the MPG/ESO 2.2-metre telescope at ESO La Silla Observatory Chile. Very deep image produced by ESO Wide Field Imager on the MPG/ESO 2.2-metre telescope at ESO La Silla Observatory Chile. Nov 2010 Nov 2010 NGC 4696, the largest galaxy in the Centaurus Cluster (Abell 3526) Queues de marée entourant NGC 5907 qui ne sont que les débris d’une galaxie naine après collision Centaurus A NGC 5128 ACS NASA/ESA Hubble Space Telescope Overlapping Galaxies 2MASX J00482185-2507365 Colour composite image revealing the lobes and jets emanating from the active galaxy central black hole. This is a composite of images obtained with three instruments, operating at very different wavelengths. (i) The submillimetre data, from APEX (in orange). (ii) The X-ray data from Chandra (in blue). (iii) Visible light data from the WFI show the background stars and the galaxy true colour. HST-ACS NASA-ESA Hickson compact group 40 08.8 Groupes et amas de galaxies Hickson compact group 87 Un amas de galaxies Abell 1689 HST ACS zamas = 0.182 σa= 1848 ± 166 km s-1 Très fortes indications de la présence de grandes quantités de matière sombre Image HST profonde tint = 13.2 heures Autour&de&l'amas&de&galaxies&RCS2&032727H132623&& apparaissent&des&mirages&bleutés&d’une&galaxie&lointaine& Matière visible et matière sombre dans l’amas de galaxies Abell 1689 • FRC : Hubble NASA/ESA A candidate protocluster at redshift z ≈ 8 a cluster of galaxies in the initial stages of development, the most distant such grouping in the early Universe séparateur& HUDF: Hubble Ultra Deep Field (March 2004) Image la plus profonde de l’univers In a sky survey made in near-infrared light Hubble has spotted five galaxies clustered together. They are so distant that their light has taken 13.1 billion years to reach us. These galaxies are among the brightest galaxies at that early stage of the Universe’s history. They are also very young: we are seeing them just 600 million years after the Big Bang. NASA/ESA Hubble Space Telescope HST/ACS Filtres B,V,I + 400 orbites Vision d’artiste d’un quasar ULAS J1120+0641, the most distant quasar, with z = 7.085 ULAS J1120+0641, the most distant quasar, with z = 7.085 Mortlock et al. 2011, Nature, 474, 616 Mortlock et al. 2011, Nature, 474, 616 This image was created from images taken from surveys made by both the Sloan Digital Sky Survey and the UKIRT Infrared Deep Sky Survey. The quasar appears as a faint red dot close to the centre. This quasar is powered by a black hole with a mass two billion times that of the Sun. It is seen as it was just 770 million years after the Big Bang. Spectrum of the quasar with emission lines displaying a redshift z = 7.085 Les principaux constituants de l’Univers: les galaxies et les amas de galaxies
