DU ECU (Explorer et Comprendre l’Univers)

Cette partie propose de répondre (en partie) aux questions suivantes : comment mesure-t-on les distances en astronomie ? Comment se repère-t-on dans le ciel ? Comment mesure-t-on le temps aujourd’hui ?

Nous partirons du ciel visible à l’oeil nu et nous expliquerons comment on en déduit la forme du système solaire, la modélisation des mouvements célestes (la "mécanique céleste") et comment cette modélisation est constamment remise en cause, de Ptolémée à Kepler, puis de Newton à Einstein. Nous montrerons comment cela conduit à connaître la distance aux planètes, étoiles, aux galaxies et de toutes les distances dans l’univers.

Nous aborderons aussi la mesure du temps : le temps relativiste, la construction des échelles de temps et des calendriers. Nous verrons comment on définit et on calcule les phénomènes astronomiques (éclipses, occultations,...). Nous verrons aussi l’utilité de leur observation, les applications et l’interprétation de ces observations.

Pour finir, un cours dédié aux météores (étoiles filantes) vous donneront les bases pour comprendre leur nature, pourquoi on en voit beaucoup au mois d’août et décembre, ce qu’on peut déduire de leur observation, et comment tout un chacun peut participer à un effort mondial et continu de recherche sur le sujet. Le tout sans instrument astronomique !

Pour comprendre la formation et l’évolution des objets célestes qu’il étudie, l’astronome ne dispose que de la lumière et des ondes émises par ces objets.

– Nous rappellerons les bases de physique nécessaires à la compréhension de la nature et de l’émission de la lumière. Il sera montré :

1. comment chaque longueur d’onde permet de caractériser une composante différente d’un même objet, par exemple, gaz froid, gaz chaud ou poussières
2. comment des observations dans certains domaines de longueurs d’onde permettent de mettre en évidence des phénomènes physiques différents.

– Un panorama des outils utilisés, télescopes et instrumentation, montrera la complémentarité entre les petits et les grands télescopes et entre les instruments au sol et dans l’espace.

– Nous présenterons des projets du futur optiques et radio.

L’informatique est devenu un outil incontournable en astronomie et plus généralement en sciences. Cette série de cours/TP a pour objectif d’introduire les principaux outils utilisés en astronomie ainsi qu’une initiation à leur utilisation pratique dans un but préparatoire au stage d’observation d’été à l’OHP.

Cet enseignement se repartie en plusieurs séances de cours :

– Introduction aux détecteurs et aux images numériques - Réduction et analyse d’images ;
– Aspects pratiques de la réduction des images - Introduction à l’imagerie spectrale et à la réduction des spectres ; Introduction aux bases de données en astronomie ; Aspects pratiques des observations.

Les TP d’applications se déroulent pendant le stage d’une semaine à Meudon.

• Spectrographie et polarimétrie

Dans la première partie, nous présentons les propriétés de l’étoile soleil et ses principales caractéristiques (structure interne, atmosphère, cyclicité). Nous examinons ensuite les diagnostics permis par la spectroscopie pour sonder l’atmosphère solaire.

Comment les raies se forment-elles ?
Comment mesure t-on les déplacements de matière dans l’atmosphère ?
Comment détermine t-on les champs magnétiques locaux ?

Le cours se termine par une extension simple vers l’imagerie Zeeman Doppler qui permet d’étudier le magnétisme de certaines étoiles et d’y reconstituer la surface tachée.

La seconde partie porte sur une rétrospective de la physique solaire, depuis l’apparition de la lunette de Galilée à nos jours :

les grandes étapes, avec l’apparition de la spectroscopie et des mesures spatiales permettant d’accéder à l’ensemble du spectre électromagnétique.
Les aspects liés à la cyclicité et à la variabilité du cycle sont abordés à la lumière des résultats récents.
Enfin les futures missions sol/espace sont esquissées.

• Les relations soleil-Terre

Le Soleil est entouré d’un gaz dilué, son atmosphère, dont la manifestation la plus spectaculaire est sans doute la couronne, vue lors d’une éclipse solaire.

Cette atmosphère est structurée par le champ magnétique. Sous l’effet des mouvements de matière dans le Soleil, le champ magnétique est très variable, créant des instabilités dans l’atmosphère solaire qui se manifestent par les éruptions et éjections de masse.

Le cours explorera la structure de l’atmosphère et le vent solaires, les instabilités de la couronne et quelques effets sur l’environnement spatial de la Terre.

– Nous explorerons les propriétés physiques et chimiques des corps du Système Solaire et montrerons qu’elles ne sont pas le fruit du hasard mais tout au contraire découlent de lois physiques relativement simples.

– Nous décrirons la structure et l’échelle des distances dans le Système Solaire ainsi que la carte d’identité de chaque planète. Grâce à la moisson d’images ramenée par les sondes d’exploration planétaire, nous aurons des vues saisissantes, précises et instructives des planètes, astéroïdes et comètes.

– Nous ferons de la planétologie comparée, c’est à dire comparer les planètes telluriques à la Terre et comprendre par exemple pourquoi Vénus (même taille même masse que La Terre) on a un effet de serre emballé, avec une température au sol de 460°C, ou pourquoi sur Mars (2 fois plus petite que la Terre), on a des structures géologiques gigantesques, ou encore pourquoi la Lune est un astre mort alors que la Terre, sa très proche voisine déborde de vie.
Autant de questions pour tenter de retracer l’histoire et l’évolution des autres planètes, afin de comprendre in fine les origines de la formation de notre propre Terre, son évolution et aussi son probable devenir.

L’étoile est un constituant et un acteur majeur de notre univers. En interaction avec le milieu interstellaire, elle est le lieu où s’opèrent l’élaboration et l’évolution de la matière qui constitue notre univers et nous constitue.
L’étoile est également une source d’énergie considérable, qui détermine les conditions à la surface des nombreuses planètes connues, dont la Terre.

Sous les diverses formes qu’elle peut prendre, une étoile représente toujours une quantité gigantesque de matière, portée à des conditions physiques extrêmes. Sa compréhension nécessite de faire appel à une palette étendue de concepts empruntés à toutes les branches de la physique. Les étoiles constituent donc de formidables laboratoires de physique fondamentale.

Dans ce cours, nous aborderons ces différents aspects qui font une étoile, comment elle est constituée, comment elle évolue et interagit avec son environnement. Nous nous efforcerons de décrire ce que nous savons et comment nous le savons, en nous référant aux types d’observations ou éléments théoriques qui viennent étayer cette compréhension.

Dans ce cours sont présentées les propriétés fondamentales des galaxies et amas de galaxies. Après un bref historique, je décris d’abord les principales techniques d’observation des galaxies (imagerie et spectroscopie à différentes longueurs d’onde, au sol et dans l’espace).

Ensuite, je présente les propriétés morphologiques des galaxies et les méthodes pour estimer leurs distances.
Le contenu des galaxies (étoiles, gaz, poussières, matière noire) est ensuite analysé. Puis les propriétés cinématiques des galaxies sont présentées, ainsi que celles des galaxies en interaction, ce qui permet d’introduire les simulations numériques.

Pour terminer l’inventaire des propriétés des galaxies, je parle brièvement des galaxies à noyau actif. Ensuite, la fin du cours porte sur les groupes et amas de galaxies et leurs propriétés, la distribution des galaxies à grande échelle dans l’Univers, suivie par quelques notions sur la formation et l’évolution des galaxies.

Durant les 3 cours dédiées à la cosmologie les thèmes suivants seront abordés :

– Structure de l’Univers à grande échelle, expansion de l’Univers, détermination des paramètres cosmologiques
– Histoire thermique de l’Univers du Big Bang au fond diffus micro-ondes
– Des fluctuations primordiales à l’Univers d’aujourd’hui : la formation des galaxies et de leurs trous noirs centraux

Le cours propose d’aborder l’histoire de l’astronomie par les textes. Les sources historiques permettent en effet de mieux comprendre quelles ont été les conceptions et les pratiques de l’astronomie à toutes les époques. Deux périodes sont privilégiées dans le cours. D’abord l’histoire de l’astronomie grecque. L’école de Millet, l’école pythagoricienne, la période hellénistique permettent de comprendre comment s’est construit une science astronomique en rupture avec les mythes et les références religieuses. Les efforts de Platon pour contenir l’astronomie dans l’étroit domaine de la spéculation géométrique sont peu à peu vaincus : commence, avec Hipparque et Ptolémée une observation scrupuleuse du ciel. Parallèlement, les modèles cosmologiques donnent à voir les tentatives d’inscrire les déplacements des astres dans des modèles cohérents. Le TD qui suit cette première partie du cours est centré sur les propositions historiennes de Jean-Pierre Vernant, à propos des textes d’Anaximandre qui mettent en relation modélisation de l’espace et référentiel urbain et civique.
Ensuite, la deuxième partie du cours se centre sur les observations astronomiques de Galilée. La découverte des satellites de Jupiter, des reliefs lunaires, des taches solaires bouleversent les représentations du monde et donnent raison aux thèses héliocentriques de Copernic. Le cours rend compte à la fois du détail des découvertes de Galilée, mais aussi du contexte religieux et politique qui a conduit à son procès. Le TD poursuit l’histoire de l’instrumentation astronomique (commencée avec la lunette) en interrogeant les trajectoires techniques des lunettes et des télescopes, jusqu’à la photographie et à l’astronomie physique de la fin du 19e siècle.

La philosophie des sciences propose de s’interroger sur l’activité scientifique afin d’en comprendre la nature et d’en évaluer les résultats. Dans cette série de cours, nous vous proposons d’aborder quelques grands problèmes de la philosophie de l’astronomie, de l’astrophysique et de la cosmologie et de s’interroger sur les notions de confirmation et de réfutation théorique.

Le cours Hautes énergies a été mis en place pour les étudiants inscrits en vidéo qui ne peuvent pas participer au stage pratique de Meudon. Il est proposé sous forme vidéo accessible via la plate-forme MOODLE. Ce cours est exigible à l’examen pour les inscrits en vidéo uniquement.

• Noyaux actifs

Ce premier chapitre décrit les phénomènes physiques liés aux noyaux actifs de galaxies (AGNs). Une description de l’état de l’art observationnel des AGNs est également donnée.

• Ondes gravitationnelles

Dans ce chapitre, nous allons voir qu’il est désormais possible d’explorer l’Univers à l’aide d’un nouveau vecteur d’informations : les ondes gravitationnelles. Après quelques rappels concernant les phénomènes ondulatoires en physique, nous verrons que les ondes gravitationnelles sont de petites oscillations dans la courbure de l’espace-temps qui se propagent dans l’Univers à la vitesse de la lumière. Nous étudierons ensuite les sources d’ondes gravitationnelles les plus prometteuses, toutes d’origine astrophysique, puis nous nous pencherons sur le problème de leur détection. Enfin, nous reviendrons sur la toute première détection, qui a eu lieu le 14 septembre 2015, et analyserons en détails la forme de ces ondes d’origine cosmique, émises il y a plus d’un milliard d’années, lors de la coalescence de deux trous noirs d’une trentaine de masses solaires chacun.

• Sursauts Gamma

Ce chapitre est dédié aux sursauts gamma (GRBs), phénomènes où la physique est poussée à ses extrêmes et puissants outils pour sonder l’univers lointain. Nous allons explorer les sursauts gamma en démarrant par leur surprenante découverte et en suivant les évolutions de l’instrumentation spatiale utilisée pour les détecter et les étudier. Une fois tracées les caractéristiques principales de ce phénomène, nous allons comprendre pourquoi ils sont des outils uniques pour l’exploration des galaxies et de l’évolution de l’univers.