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• L’échelle des distances • Mirages gravitationnels • Matière sombre L’Univers extragalactique

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Page 1: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

• L’échelle des distances

• Mirages gravitationnels

• Matière sombre

L’Univers extragalactique

Page 2: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Mesure des distances :

Un des problèmes les plus difficiles de l’astrophysique moderne !

→ on procède par étapes

des objets les plus proches…

… aux plus lointains

→ échelle des distances cosmologique

Danger :

propagation des erreurs

L’échelle des distances

Georgia O’Keeffe « Ladder to the Moon »

Page 3: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

L’unité astronomique

La distance moyenne de la Terre au Soleil peut être déterminée à partir de la distance d’une planète quelconque dans le système solaire

1671 : Première estimation « moderne »

Cassini (depuis Paris) et Richer (depuis la Guyane) mesurent la position de Mars par rapport aux étoiles (↔ une parallaxe)

→ obtiennent 1 UA = 140 millions de km

1815 : Durée du transit de Vénus devant le Soleil

Encke obtient 1 UA = 153 millions de km

Valeur moderne, obtenue par des mesures RADAR

1 UA = 149.5 millions de km

L’échelle des distances - 2

Page 4: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

La parallaxe

La distance des étoiles assez proches peut être obtenue par la mesure de sa parallaxe annuelle

Les parallaxes les plus précises ont été mesurées par le satellite Hipparcos (HIgh Precision PARallax COllecting Satellite) de l’ESA, lancé en 1989

La précision est ~0.001 secondes d’arc

→ les distances des étoiles situées à moins de 100 pc sont connues à ~10% près

Rappel : 1 pc = 206265 UA

= 3.26 AL

L’échelle des distances - 3

Le satellite Hipparcos

Page 5: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Les Céphéides

1912 : Henrietta Leavitt découvre que la période des Céphéides est une fonction (proportionnelle) de leur luminosité

Ce sont des étoiles brillantes → observables à assez grande distance

→ étalons de distance très utiles

Difficultés :

• Il faut connaître la distance de certaines Céphéides pour calibrer la relation

• La relation période – luminosité dépend de la composition chimique de l’étoile

L’échelle des distances - 4

Page 6: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Calibration des Céphéides

vrad

(spectro)

→ ΔR

+ Δθ

(interfé-rométrie)

→ d

L’échelle des distances - 5

Page 7: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Calibration des Céphéides

δ Cep : parallaxe mesurée par HST

L Car : calibrée par interférométrie

(+ d’autres à venir…)

→ calibration précise de la relation pour une métallicité donnée

L’échelle des distances - 6

Page 8: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Les Supernovae de type Ia

Pour aller au-delà des Céphéides : il faut des objets plus brillants

• Transfert de matière sur une naine blanche dans un système binaire

→ éruptions de Nova

• Si M > 1.4 M → explosion de l’étoile → Lmax ≈ constante

(plus précisément, elle peut être déterminée à partir de forme de la courbe de lumière)

Incertitudes : – effet de la métallicité – absorption par poussières – filtre(z),…

L’échelle des distances - 7

Page 9: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Autres indicateurs de distance

• Fonction de luminosité des amas globulaires : on suppose une forme « universelle » pour N(MB)

• Fonction de luminosité des nébuleuses planétaires

• Relation de Tully-Fisher / plan fondamental (relations entre vitesses des étoiles et luminosité de la galaxie)

• Fluctuations de brillance des galaxies elliptiques (« granulosité apparente »)

L’échelle des distances - 8

Page 10: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

La loi de Hubble

1929 : Hubble découvre que les galaxies extérieures suffisamment lointaines s’éloignent de nous avec une vitesse proportionnelle à leur distance :

L’échelle des distances - 9

Edwin Hubble

• d : mesuré par étalons de distance

• v : mesuré par effet Doppler :

• z = redshift (décalage vers le rouge)

• H0 = constante de Hubble (en km/s/Mpc)

Page 11: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

La loi de Hubble

Hubble obtint H0 ≈ 500 km/s/Mpc, ce qui est trop grand d’un facteur 7 à 8 par rapport à la valeur moderne

Diagramme original de Hubble

• Il estimait les distances par les étoiles les plus lumineuses

• Pour les galaxies éloignées, il prenait des amas pour des étoiles individuelles

→ sous-estimation des distances

L’échelle des distances - 10

Page 12: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

La constante de Hubble

L’échelle des distances - 11

Mesures de la constante de Hubble depuis 1920

À partir des années 1960, les mesures de la constante de Hubble donnent des valeurs proches de 50 ou 100 km/s/Mpc

→ querelles d’experts

Page 13: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

La constante de Hubble

L’échelle des distances - 12

Mesures de la constante de Hubble depuis 1970

Les mesures les plus récentes donnent généralement des valeurs comprises entre 58 et 72 km/s/Mpc

→ incertitude ~ 20%

Toujours 2 camps :

HST key project / Sandage&Tammann

Page 14: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Mirages gravitationnels

Mirages atmosphériques

Notre cerveau interprète la vision comme si la lumière se déplaçait en ligne droite

Si variation de l’indice de réfraction → rayons lumineux déviés

→ nous « voyons » l’objet dans une autre direction

→ possibilité de plusieurs images – éventuellement • déformées

• inversées

Page 15: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Mirages gravitationnels

Relativité générale → courbure de l’espace-temps → les rayons lumineux sont déviés au voisinage d’une masse importante

→ possibilité de plusieurs images – éventuellement • déformées

• amplifiées

→ mirage gravitationnel par analogie avec mirage atmosphérique

• l’objet qui dévie la lumière est appelé lentille gravitationnelle

• effet prédit par Einstein qui le pensait inobservable car on ne

Mirages gravitationnels - 2

connaissait que des étoiles comme candidats lentilles

• prédit par Zwicky dans les années 1930 avec des galaxies lentilles

Page 16: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Le premier mirage gravitationnel

1979 : Walsh, Carswell et Weymann étudiaient des spectres de quasars

Ils se rendent compte que 2 quasars distants de 6″ ont le même spectre

→ hypothèse : ce sont deux images du même quasar

– confirmé par la détection de la galaxie lentille, proche d’une image

Mirages gravitationnels - 3

Les quasars sont de bons candidats car très lumineux

→ observables loin

→ + de chances de trouver une galaxie devant Les 2 images du quasar Q0957+561

Page 17: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Propriétés des mirages gravitationnels

En fonction de : • la distribution de masse dans la source

• l’alignement source – lentille – observateur

Mirages gravitationnels - 4

En peut observer différentes configurations d’images :

• doubles

• quadruples

• arcs

• anneau

Seules les sources étendues donnent des arcs ou anneaux

Page 18: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Quelques mirages gravitationnels

Si source – lentille – observateurs alignés + lentille symétrique

Mirages gravitationnels - 5

→ image en forme d’anneau

= anneau d’Einstein

de rayon angulaire :

dLS = distance (lentille – source)

dOS = distance (observateur – source)

dOL = distance (observateur – lentille) SDSS J162746.44-005357.5 (HST)

OSOL

LSE dd

d

cGM

2

4

Page 19: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Quelques mirages gravitationnels

Si léger désalignement → 4 images presque symétriques

Mirages gravitationnels - 6

HE0435–1223 (HST) H1413+117 (HST)

Page 20: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Quelques mirages gravitationnels

Si désalignement plus important → 4 images moins symétriques

Mirages gravitationnels - 7

RXJ0911+1551 (HST)WFI2033–4723 (HST)

Page 21: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Quelques mirages gravitationnels

Si désalignement encore plus important → 2 images

Mirages gravitationnels - 8

HE2149–2745 (HST)

Page 22: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Arcs géants

Si lentille = amas de galaxies assez concentré

→ masse de la lentille beaucoup plus grande

Mirages gravitationnels - 9

→ séparations plus importantes entre les images

Si source = galaxie plus lointaine

(objet étendu)

→ images = arcs (parfois très grands si source « bien placée »)

→ image amplifiée de la source

→ « télescope gravitationnel »Cl2244–02 (ESO)

Page 23: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Télescope gravitationnel

Mirages gravitationnels - 10

Cl00244+1654 (HST)

Exemple :

Images

• multiples

• amplifiées

• déformées

d’une même galaxie d’arrière-plan

par un amas compact

Page 24: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Mirages et distances

Les différents trajets optiques ont des longueurs différentes

+ « ralentissement gravitationnel »

→ délai temporel entre la détection d’un événement dans les ≠ images

Mirages gravitationnels - 11

Si le quasar varie :

→ on peut mesurer ce délai

Si la distribution de masse est connue :

→ on obtient une distance

Δd = c Δt

→ distance cosmologique

Page 25: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Mirages et constante de Hubble

Les délais temporels tendent à donner des valeurs assez basses de H (en accord avec la valeur de Sandage et Tammann)

Mirages gravitationnels - 12

→ conclusion ?

• soit Sandage et Tammann ont raison contre la majorité

• soit la distribution de masse dans les lentilles n’est pas bien modélisée

Principale incertitude :

distribution de la matière sombre

Constante de Hubble par délais temporels

Page 26: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Dans les régions extérieures :

M(r) ≈ Cte → v ~ r –1/2

Or, dans notre Galaxie et les autres spirales, on mesure v ~ Cte dans les régions extérieures

→ on suppose que la masse continue à augmenter bien qu’on ne voie rien

Matière sombre

Courbes de rotation des galaxies spirales

Supposons des orbites circulaires dans le disque

où M(r) = masse totale à l’intérieur de l’orbite

2

2 )( r

rMmGrvm

Page 27: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Halo de matière sombre

→ on suppose qu’il existe un halo sphérique de matière invisible

Courbe de rotation :

Conservation de la masse :

→ dans les régions extérieures :

Pour éviter le singularité centrale, on suppose :

(doit être tronqué à grande distance pour éviter une masse infinie)

Matière sombre - 2

Gv

drdM

vG

rvrM

2te

2

C ;

)(

)( π4 2 rrdr

dM

2

2

G π4)(

rv

r

20

1)(

arr

Page 28: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Halo de matière sombre

Il existe d’autres formes « théoriques » pour la distribution de matière sombre

À partir de simulations numériques, Navarro, Frank et White (1996) obtiennent une relation du type :

Matière sombre - 3

20

NFW1

)(arar

r

On estime que la matière sombre constitue 80 à 95% de la masse de notre Galaxie

… et des valeurs similaires pour les autres galaxies spirales

Page 29: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Matière sombre dans les amas

1933 : Zwicky mesure les vitesses des galaxies dans l’amas de Coma

Matière sombre - 4

Il obtient une dispersion σ(vrad) = 977 km/s

Avec de telles vitesses, pour que les galaxies soient liées gravitationnellement dans l’amas, il faut Mtot ~ 3 1015 M

C’est de très loin supérieur à la masse visible : Mvis ~ 1013 M

Les halos de matière sombre des galaxies de l’amas ne suffisent pas

→ il doit exister de la matière additionnelle, répartie entre les galaxies Fritz Zwicky

Page 30: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Gaz chaud dans les amas

Observations en rayons X

Matière sombre - 5

→ découverte de gaz très chaud (~ 108 K) dans les amas

Mgaz (Coma) ~ 3 1013 M

→ ce gaz chaud + les étoiles « orphelines » ne suffisent pas à expliquer la masse totale

→ matière sombre aussi dans les amas

Images Chandra et HST de deux amas

Page 31: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Détection de la matière sombre (galaxies)

Mirages gravitationnels de quasars avec une galaxie lentille :

Matière sombre - 6

Déviation des rayons lumineux : sensible à la masse totale (lumineuse + sombre), quelle que soit sa nature

Si H0 est connu :

→ le délai temporel donne des contraintes sur la distribution de masse

→ sur la distribution de matière sombre dans la lentille aux distances angulaires sondées par les rayons lumineux

Image radio d’un mirage (Merlin)

Page 32: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

Détection de la matière sombre (amas)

Mirages gravitationnels de galaxies avec amas :

Pas de mesure du délai temporel (sources non variables) mais les nombreux arcs permettent de reconstruire la distribution de masse

Matière sombre - 7

Image de deux amas en collision

en lumière visible (HST) + rayons X (rose, choc) + matière sombre (bleu)

Séparation du gaz chaud et de la distribution de masse totale

→ évidence en faveur de l’existence de la matière sombre ?

Page 33: Léchelle des distances Mirages gravitationnels Matière sombre LUnivers extragalactique

L’Univers extragalactique

• L’échelle des distances

• Mirages gravitationnels

• Matière sombre

Fin du chapitre…