Mise à jour 20 Juin 2022
CONFÉRENCE de Reza ANSARI
Laboratoire Irène et Fréderic Joliot-Curie
« LA COSMOLOGIE À 21 cm
»
Organisée par la SAF
En direct du siège et par téléconférence
Le Samedi 4 Juin 2022 à 15H00
À l'occasion de la réunion de la Commission de Cosmologie
Photos : JPM pour l'ambiance (les photos avec
plus de résolution peuvent
m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation
de l'auteur. Voir les crédits des
autres photos et des animations.
Le conférencier a eu la gentillesse de nous
donner sa présentation, elle est disponible sur
ma liaison ftp et
se nomme :
cosmo21cm_saf_jun22.pdf,
qui se trouve dans le dossier COSMOLOGIE-SAF/
saison 2021-2022.
Il est aussi sur le
site de la commission.
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me
contacter avant.
Les actualités
présentées
sont ici.
La vidéo se trouve ICI. Dans quelques jours
Malgré la chaleur nous étions quand même 22
dans la salle rue Beethoven et une vingtaine sur Zoom.
Reza Ansari, Docteur en Physique, est
professeur de physique à l’Université Paris Sud (Orsay).
C’est un spécialiste de la cosmologie et de la
physique des particules.
En poste au
laboratoire Irène Joliot Curie
à Orsay, ou laboratoire des deux infinis.
Signalons que ce laboratoire possède un
accélérateur linéaire.
Thème d’aujourd’hui : la cosmologie à 21 cm.
La présentation étant particulièrement claire,
le CR sera succinct.
LE
MODÈLE COSMOLOGIQUE : ÉTAT DES LIEUX :
Le modèle du Big Bang est conforté par les
observations suivantes :
• Expansion de l’univers (Hubble)
• La nucléosynthèse primordial - l’abondance
de H, He, Li
• Le fond diffus cosmologique (CMB)
• La formation des structures
Le modèle standard de la cosmologie, le
LambdaCDM : modèle avec matière noire froide est défini par 6 paramètres
seulement. (voir les données du satellite Planck).
3 paramètres liés à la RG
1 paramètre lié à la réionisation
2 paramètres liés aux fluctuations
primordiales.
La nature et la cause de l’expansion accélérée
de l’Univers (énergie noire) sont les grandes questions à résoudre de la
cosmologie moderne.
LA
COSMOLOGIE À 21 cm.
Voici une diapo très intéressante montrée par
Reza Ansari, où l’on voit dans le bas les différentes échelles :
La plus basse : l’échelle du décalage vers le
rouge (le redshift z) avec z=0 pour notre époque présente ; au-dessus la
température de l’Univers, actuellement 2,7K, puis l’âge de l’Univers, 13,8
milliards d’années d’après les derniers relevés.
Un point de repère, le CMB à z=1100 et
T=3000K.
On a représenté les zones où les mesures 21 cm
sont actives : depuis l’apparition des premières étoiles.
Entre le CMB (z=1100) et les premières étoiles
(vers z=10), ce sont les âges sombres (dark ages), pas de lumière !
Puis les premières étoiles apparaissent, leur
lumière intense de ces étoiles massives va réioniser l’Univers. L’Univers qui
était neutre devient ionisé, c’est la période de réionisation.
On peut explorer cette période des âges
sombres et de la réionisation grâce à la raie à 21 cm de l’Hydrogène atomique
neutre (dénommée HI). Par comparaison la raie Lyman alpha bien connue a une
longueur d’onde de 121 nm !
La raie 21 cm (dans le domaine des ondes
radio, 1420 MHz) de l’hydrogène atomique correspond à une transition entre deux
sous‐niveaux
d’énergie
dans l’état
fondamental. La différence
d’énergie
entre ces sous‐niveaux
est due aux différentes
orientations des moments magnétiques
(spins) de l’électron
et du proton
On voit sur le tableau suivant, les
différentes expériences qui s’intéressent à ces mesures à 21 cm pour les âges
sombres :
On parlera plus tard de ces différentes
expériences.
LES
OBSERVATIONS EN ONDES RADIO.
La
fenêtre « radio » vue de la surface terrestre. Wikipedia domaine public.
Principe d’un radio télescope.
Crédit : parlons sciences Canada
Rappel : 21 cm
à
1420 MHz
Il faut savoir que la résolution dépend du
diamètre, par ex :
|
D |
S |
l/D |
|
10 m |
78,5 m2 |
1,2 deg |
|
50 m |
2000 m2 |
15’ |
|
300 m |
70 000 m2 |
2,5’ |
On peut mettre plusieurs télescopes en
interférométrie.
Le signal de 21 cm +possède une belle
signature mais son intensité est faible.
On peut comparer pour une galaxie (ex z=0,3
dist 1500 Mpc) à 21 cm et en optique :
Émission Radio à 21 cm
·
‣ 109 M⊙
de HI
→ 3 1027 watts (puissance
émise)
·
‣ Puissance reçue : < 10-24
W/m2 répartie sur
∼ 1 MHz (qques photons / m2
/s)
·
‣ ce qui correspond à moins de 10-30
W/m2/Hz , < 10-4 Jy (100 % Jy)
En
optique
·
‣ 109 - 1010 L⊙
→
≳ 1035 watts (puissance
émise)
·
‣ Puissance reçue : < 10-16
W/m2 , ~ 10-17 W/m2 dans une bande
photométrique (~ 10 photons / m2/s)
On remarque que le signal à traiter en radio
(10-24 W/m2) est très faible par rapport à sa contrepartie
optique.
La conséquence en est que les radiotélescopes
doivent être GRANDS !
Quelques exemples :
·
Radiotélescope d’Arecibo
(accidenté, doit être reconstruit ?) de 300 m de diamètre à Porto Rico.
·
Radiotélescope interférométrique VLA
de New Mexico
·
Le nouveau
super
radiotélescope chinois FAST
de 500 m de diamètre.
·
Le grand
radiotélescope de Nançay
en France.
OBSERVATIONS À 21 cm.
L’intérêt est que c’est la seule signature
spectrale dans la bande radio L (100 à 1500 MHz).
Le redshift donne directement la fréquence. La
position est obtenue par imagerie.
La cartographie d’intensité à 21 cm.
C’est la distribution cosmique de matière à
l’aide de raie à 21 cm, en utilisant l’hydrogène atomique comme traceur.
On remarque que l’Univers n’est pas homogène,
il y a des structures filamentaires correspondant aux galaxies, c’est ce que
l’on appelle la toile cosmique (cosmic web).
Carte tirée
du
relevé SDSS.
On pourrait faire la même chose en se basant
sur les mesures de la raie à 21 cm dans l’Univers.
Mais le signal, comme déjà dit est beaucoup
plus faible, par exemple pour étudier une galaxie à z=1, la surface de
collection doit être de l’ordre du km2 ! D’où l’intérêt du réseau SKA
(Square Kilometer Array, réseau e 1 km2)
Mais notre propre Galaxie, nous gêne avec ce
signal d’avant-plan qui est des milliers de fois plus important que ce que l’on
a à mesurer.
Voici les différents empilements.
Ce sont les informations de l’ordre du mK
qu’il va falloir extraire des observations.
On passe sur les détails de ces opérations
pour en venir aux diverses expériences en cours ou futures.
LES
EXPÉRIENCES EN COURS OU FUTURES.
Elles sont nombreuses, par exemple :
Suivant qu’elles sont plutôt consacrées aux âges sombres (à gauche) ou aux
périodes plus récentes.
Une récente en cours de construction : Tianlai
C’est un réseau de 16 antennes de 6 m, et de 3
réseau cylindriques (40 m par 15 m) situé dans l’Ouest de la Chine, il semble
que notre conférencier y ait participé.
Crédit : Tianlai consortium.
De même un nouveau réseau de 4 antennes de 5 m
vient d’être construit à Nançay, c’est PAON4.
R Ansari participe activement avec son labo à
ce nouvel instrument.
Nouvelle chaine électronqiue IDROGEN.
Crédit : Nançay.
Autres expériences :
·
CHIME
au Canada.
·
HERA
en Afrique du Sud.
·
LOFAR/NenuFAR
européen.
·
Etc….
On ne peut pas terminer cette présentation
sans évoquer l’EHT (Event Horizon Telescope) qui vient de nous fournir une
superbe photo du TN de notre Galaxie.
Un des grands problèmes a été la
synchronisation des horloges atomiques entre les différents radiotélescopes.
Voir l’article correspondant
des
astronews.
Un résumé du futur de la cosmologie à 21 cm :
POUR ALLER PLUS LOIN :
Raie
21 cm de l’hydrogène atomique Radioastronomie
La
raie à 21 cm : une clé pour l'astrophysique, la cosmologie et Seti
FAST :
Le 2ème plus grand radio télescope du monde
Radio Télescope de
Nançay :
CR de la visite du 18 Juin 2011
L'Univers Profond
en Radio, le SKA : CR
de la conf SAF (Cosmo) de C. Tasse du 25 sept 2021
Design,
operation and performance of the PAON4 prototype transit interferometer
Radioastronomie :
NenuFAR en service
Radioastronomie Observation de notre galaxie à 21 cm
La
radioastronomie
par le CLEA.
PROCHAINE RÉUNION : À DÉTERMINER, PROBABLEMENT SEPT/OCT ;
PROCHAINE CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF :
Prochaine conférence SAF devant public :
Le mercredi 14 Sept 2022 à 19H00 au CNAM amphi Grégoire (220 places).
Titre et intervenant en cours de définition
Résa > 15 Août
. Réservation
comme d’habitude ou
à la SAF directement.
Transmission en direct sur le canal YouTube de la SAF
Sinon à suivre en direct :
https://youtu.be/dEYzUxHXLIg
Les conférences seront retransmises en
direct sur YouTube.
Bon ciel à tous
Jean Pierre
Martin
Président de la commission de cosmologie de la SAF
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du site en envoyant votre nom et
e-mail.
https://us02web.zoom.us/rec/play/0TwBCl4q0C-dZXS7hYgvGZ6UIWEZCVA1Hz_2nJ8hkhKLbsZNdDWKF_gsbVUOefgZmSMGPePYtEfDsVm6.TAswUZS_AEQFcZBu?autoplay=true&startTime=1654347513000
