Ffitfe-<H-I4b •Fl*
Total Page：16
File Type：pdf, Size：1020Kb
ffitfe-<H-i4b •fL* 1 THESE PRESENTEE A L'UNIVERSITE PARIS VII POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR ES SCIENCES PHYSIQUES Thierry MONTMERLE EXISTE-T-IL UN RAYONNEMENT COSMIQUE COSMOLOGIQUE ? Soutenue le 14 juin 1977r devant la Commission d'Examen Lydie KOCH Jean-Marc LEVY-LEBLOND Jean-Paul MEYER Françoise PRADERIE Hubert REEVES Dennis W. SC1AMA Gilbert VEDRENNE - _\ THESE PRESENTEE A L'UNIVERSITE PARIS VII POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR ES SCIENCES PHYSIQUES par Thierry MONTMERLE EXISTE-TIL UN RAYONNEMENT COSMIQUE COSMOLOGIQUE ? Soutenue le 14 juin 1977, devant la Commission d'Examen Hubert REEVES Président Lydie KOCH Jean-Marc LEVY-LEBLONO Jean-Paul MEYER Examinateur* Françoise PRADERIE Dennis W. SCIAMA Gilbert VEDRENNE 1 r A Béatrice / y miro las estrellas y miro el terciopelo duro de la noche que tienbla con sus constelaciones congeladas, entonces siento subir a mi aima la ola de los misterios (Pablo Neruda, Odas Elementales : "El nombre invisible") TABLE DES MATIERES PREAMBULE RESUME 1ère partie : LE RAYONNEMENT COSMIQUE COSMOLOGIQUE I - FOND DO CIEL Y ET COSMOLOGIE Le rayonnement X et y du fond du ciel (B. I. S. T. 167. 13 ; 1973) Des photons Y contemporains de la jeunesse de l'Univers (La Recherche 37, 787 ; 1973) II - EXISTE-T-IL ON RAYONNEMENT COSMIQUE COSMOLOGIQUE ? Proc. 12th ESLAB Symposium " Recent advances iny -ray astronomy ", Frascati (Italie), n" 34 (1977) On the possible existence of cosmological cosmic rays : 1- The framework for light element and Y-ray production (Ap. J. à paraître, 15 août 1977) 2- The observational constraints set by the y-ray background spectrum and the lithium and deuterium abundances (Ap. J., a paraître, 1er septembre 1977) 2a-Light element production by cosmological cosmic rays (Ap. J. i paraître, 1er novembre 1977) (x) References du resume. (7) 3- Nuclear Y-ray production (Ap. J. Ë paraître, 15 novembre 19 (8) Proc. 15th Int. Cosmic Ray Conf., Plovdiv (Bulgarie), n" Ç^V7 (I977) (9) Proc. 15th Int. Cosmic Ray Conf., Plovdiv (Bulgarie), n" OG-45 (1977) (10) Proc. 15th Int. Cosmic Ray Conf., Plovdiv (Bulgarie), n° OG-130 (1977 III - THEORIE El OBSERVATION (]j) On the ability of current experiments to test H° decay Y-ray back ground theories (Ap. J. _1£7, 285 ; 1975) (12) Proc. 12th ESLAB Symposium " Recent advances in y-ray astronomy ", Frascati (Italie), n° 35 (1977) IV - OBSERVATIONS ET INSTRUMENTATION (13) Diffuse Y-ray measurement above 20 MeV with a balloon borne experi ment (I4th Int. Cosmic Ray Conf., Munich, 0G-1, 14 ; 1975) (14) Diffuse cosmic Y-ray background above 20 MeV (13th Inc. Cosmic Ray Conf., Denver, 06-1, 8 ; 1973) (15) Le rayonnement X et Y cosmique (Monographie CEA ; 1974) 2ème partie : LA DIFFUSION DANS LES ETOILES (16) La diffusion dans les atmosphères stellaires (La Recherche, à paraî tre, septembre 1977) (17) Diffusion in stars : ionization and abundance effects (Ap. J. Suppl. 31, 489 ; 1976) 3ème partie : D'AUTRES HORIZONS (18) Des bouffées de photons Y d'origine cosmique (La Recherche _4_7, 666 1974) (19) Intergalactic ionized hydrogen in nearby groups of galaxies (Ascr. Sp. Sci. _L5, 383 ; 1972) t (20) 00 l'on reparle des ondes gravitationnelles (La Recherche %\_, 160 ; 1973) REMERCIEMENTS (NUCLEO)GENESE PREAMBULE La présente thèse comprend vingt articles qui ont témoigné â. des degrés divers de mon activité de recherche en Astrophysique. Les articles ori^inauxi (publiés ou à paraître dans "The Astrophyâical Journal", ou encore sous forme de communications à des congrès) portent sur deux sujets distincts : a) Contraintes observationnelles sur l'existence d'un rayonnement cosmique cosmologique (première partie) ; b) Problèmes liés à la diffusion des éléments dans les atmosphères stellaires, étudiés pendant mon stage de Coopération à l'Université de Montréal» sous la direction de Georges Michaud (deuxième partie). Une troisième partie est consacrée a d'autres domaines de l'Astrophysique (elle comprend aussi un article original, publié dans "Astrophysics and Space Science"). Dans chaque partie, j'ai placé des articles de vulgarisation, en guise soit d'introduction au sujet (ils sont alors en tête)» soit de complément d'information (notamment dans la troisième partie). Ils ont été publiés dans "La Recherche", ou par les soins du CEA. Je l'ai fait pour deux raisons : la présentation de la thèse en est facilitée, mais surtout, cela témoigne de l'importance que j'attache à la vulgari sation scientifique. Je crois en effet nécessaire pour un chercheur de faire connaître à l'extérieur l'activité de son domaine de recherches, qu'il s'agisse de découvertes ou de questions encore sans réponse. Ces articles sont précédés d'un résumé qui justifie leur agence ment, et dont les références sont données dans la Table des Matières. RESUME i ! i ("Les Terriens", par Real Godbout, "Le Jour", Montréal, 1-3-7 :) .\ 1ère PARTIE : LE RAYONNEMENT COSMIQUE COSMO LOGIQUE I. FOND DU CIEL y ET COSMOLOGIE Au moment ou se déroulent les événements dont il est question dans ce travail, il n'y a pas encore d'étoiles ... La température du corps noir universel est d'environ 300°K (il fait bon ! ). L'univers est environ 100 fois plus "petit" que maintenant ; en d'autres termes, le rapport de deux distances caractéristiques quelconques alors (R) et maintenant (RQ) est donné par R0/R ^ 100. Une distance caractéristique utile et d'emploi généralisé est une longueur d'onde ; l'expansion de l'univers se manifeste alors par l'effet Doppler et l'on pose ?i0/X = 1 +z . La quantité z est le "redshift'; (décalage vers le rouge)! qui, dans un modèle d'univers donné, correspond à une époque donnée. Pour z ="100, donc, l'univers était âgé dans le modèle standard d'environ dix millions d'années (soit un millième de son âge actuel) Dans la bande y (c'est-à-dire environ de 1 MeV à 10 GeV), on a pu montrer que l'univers était transparent au rayonnement jusqu'à des distances très grandes» correspondant à des valeurs de z de l'ordre de 100 à 300 : c'est dire que les observations dans cette bande d'énergie sont potentiellement reliées à des événements à haute énergie se dérou lant pendant la jeunesse de l'univers Les observations réalisées jusqu'à présent (sur lesquelles nous reviendrons dans les § III et IV)peuvent s'interpréter par la désintégra tion de particules TT° produites lors de réactions mettant en jeu l'inter action forte (hypothèse proposée par Floyd Stecker en 1969)^. Dans ce contexte cosmologique, les deux types de réactions susceptibles de produire des TT" sont : (*) Les références renvoient aux articles qui constituent le présent travail (voir la Table des Matières). (a) l'annihilation matière-antimatiferef hypothèse NN") ; (b) les collisions entre des particules de haute énergie (quelques GeV) et un gaz au repos (hypothèse du rayonnement cosmique cosmologique, ou "hypothèse CCR"). Les spectres du fond du ciel dans la bande y <lu* correspondent res pectivement à ces deux hypothèses sont pratiquement indiscernables, compte tenu de la précision des observations (2) ,, ce qui implique la nécessité de trou- ver d'autres critères d'observation. Sur le plan théorique, essentiellement à la suite des travaux d'Omnès et de ses collaborateurs, l'hypothèse NN a longtemps été sérieu sement envisagée , au détriment de l'hypothèse CCR, qui n'a fait l'objet pratiquement d'aucune recherche approfondie. Mais récemment, des objections sérieuses se sont fait jour a la théorie d'Omnès, si bien qu'il est devenu justifié de considérer sous un angle nouveau l'hypothèse CCR, comme substitut possible à l'hypothèse N>*. L'objet du présent travail est donc d'étudier l'hypothèse CCR de façon plus approfondie, et, en particulier, de proposer et d'examiner d'autres critères observationnels permettant d'en éprouver la validité. IL EXISTE-IL UN RAYONNEMENT COSMIQUE COSMO LOGIQUE ? A l'époque correspondant à z~100, la matière (au sein de laquelle se formeront ultérieurement les galaxies et les étoiles} est essentiellement un gaz d'hydrogène, et dhéUum -4 produit par des réactions thermonucléaires dans les toutes premières phases de l'univers (dans un rapport He/H ^ 0.1). Dans l'hypothèse où les phénomènes qui apparais sent à cette époque sont assez violents pour accélérer des protons, on doit s'attendre a une accélération simultanée de particules a. Par colli sion sur le gaz, des réactions possibles sont donc p+p, p + a et ai + a. - 3 - Dans ce contexte, a haute énergie, il y a production de rayonnement y (§ I) par désintégration de TT°, essentiellement dans les réactions p + p. A basse énergie, en revanche, les réactions ci-dessus produi sent des éléments légers D, He, Li, Li et Be, qui sont ensuite ralentis et thermalisés dans le gaz. Leurs abondances (absolues et relatives) sont alors comparées a celles observée* actuellement. On présente d'abord une synthèse du contexte théorique et des résultats obtenus. A l'appui, le formalisme théorique, dans le cadre (4) du "modèle standard" d'univers, est développé* ', puis appliqué au rayon nement y et au lithium et les résultats sont comparés aux observations Ces travaux sont étendus à l'ensemble des éléments légers ci-dessus . En remarquant que ceux-ci peuvent être produits dans des états excités qui se désexcitent par émission de photons y nucléaires, on calcule le flux de photons obtenu, qui se trouve être, à cause de l'expansion de l'univers, dans les bandes X du spectre du fond du ciel En substance, on obtient les résultats suivants. L'hypothèse CCR. permet d'expliquer à la fois le fond du ciel Y observé et l'abondance du Là (qui n'est pas expliquée de façon satisfaisante à l'heure actuelle).