COMBES FRANÇOISE (1952- )

Carte mentale

Élargissez votre recherche dans Universalis

Médias de l’article

Françoise Combes

Françoise Combes
Crédits : Patrick Kovarik/ AFP

photographie

Noyau actif de la galaxie spirale barrée NGC 1433

Noyau actif de la galaxie spirale barrée NGC 1433
Crédits : ALMA (ESO/ NAOJ/ NRAO)/ NASA/ ESA/ F. Combes ; CC-BY

photographie

Afficher les 2 médias de l'article


Astrophysicienne française, Françoise Combes est spécialiste de la dynamique des galaxies. Membre de l’Académie des sciences depuis 2004, professeure au Collège de France et chercheuse à l’Observatoire de Paris, elle a reçu, le 10 septembre 2020, la médaille d’or du CNRS – après avoir reçu celle d’argent en 2001 – pour ses travaux, à la fois théoriques et observationnels, concernant la formation et l’évolution des galaxies, ainsi que les questions cosmologiques associées et liées à la matière noire.

Françoise Combes

photographie : Françoise Combes

photographie

Lauréate 2020 de la médaille d'or du CNRS, l'astrophysicienne française est spécialiste des galaxies et de la matière noire. Françoise Combes est photographiée ici en 2009, dans son bureau de l'Observatoire de Paris, son geste traduisant bien son goût d'expliquer et de transmettre le... 

Crédits : Patrick Kovarik/ AFP

Afficher

Comprendre l’évolution des galaxies dans leur diversité

Née le 12 août 1952 à Montpellier, Françoise Combes étudie la physique à l’École normale supérieure (ENS Sèvres) de 1971 à 1975 et obtient l’agrégation. Sous la direction d’Evry Schatzman et de Roland Omnès, elle s’oriente vers l’astrophysique pour étudier des modèles d’univers qui pourraient contenir autant de matière que d’antimatière. Cette voie doit être abandonnée car l’intense rayonnement gamma qui devrait être alors observé ne l’est pas. Françoise Combes rejoint alors le laboratoire de radioastronomie millimétrique, créé en 1975 par Pierre Encrenaz à l’ENS, et se consacre désormais à l’étude des galaxies, objet de son doctorat d’État qu’elle soutient en 1980. Maître-assistante puis sous-directrice du laboratoire de physique de l’ENS, elle est nommée en 1989 astronome à l’Observatoire de Paris, où elle poursuit sa carrière. Celle-ci est couronnée en 2014 par son élection au Collège de France, dont elle occupe la chaire d’astrophysique.

Ses découvertes et contributions s’organisent autour de trois thèmes majeurs : la dynamique des galaxies, l’observation des gaz qu’elles contiennent sous forme moléculaire, la cosmologie sous l’angle de cette abondante matière de nature inconnue, appelée matière noire.

La traditionnelle classification des galaxies (spirales, elliptiques, irrégulières, etc.), construite d’après leur type morphologique, date des années 1930 et est due à l’astronome américain Edwin Hubble. Les travaux majeurs de Françoise Combes ont établi un fondement théorique solide à ce classement par l’étude de la dynamique d’une galaxie sous l’effet des forces gravitationnelles dues à la matière (gaz et étoiles) qu’elle contient. Elle a élaboré des simulations numériques, capables de représenter des milliards d’années d’évolution. Ces travaux ont expliqué l’existence des barres observées près du cœur galactique et leur rôle moteur par les interactions gravitationnelles qui, lors de l’évolution séculaire d’une galaxie, permettent un transfert de mouvement de rotation (moment angulaire) depuis le cœur vers l’extérieur. Utilisant des observations de centaines de galaxies dans l’infrarouge, rayonnement auquel les poussières galactiques sont transparentes, elle a pu valider la pertinence de ces simulations, puisqu’elles représentaient correctement les différentes étapes d’évolution observées. En utilisant la résolution angulaire élevée que fournissent l’interféromètre submillimétrique ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) et les grands télescopes optiques équipés d’optique adaptative dans l’infrarouge, elle a renforcé ses conclusions par des observations obtenues au plus près du cœur des galaxies, en particulier de celles qui contiennent un trou noir supermassif (galaxies dites AGN pour active galactic nucleus).

Noyau actif de la galaxie spirale barrée NGC 1433

photographie : Noyau actif de la galaxie spirale barrée NGC 1433

photographie

Cette image représente l'environnement du trou noir supermassif localisé au centre de la galaxie spirale NGC 1433, c'est-à-dire son noyau actif. Elle a été composée à partir d'images prises par le télescope spatial Hubble et de données issues du radiotélescope terrestre ALMA (Atacama... 

Crédits : ALMA (ESO/ NAOJ/ NRAO)/ NASA/ ESA/ F. Combes ; CC-BY

Afficher

Un second moteur de l’évolution des galaxies, qui complète le précédent où agissent les forces gravitationnelles internes à une galaxie, résulte de collisions entre galaxies. L’interaction dite de marée, due aux forces gravitationnelles lors d’une telle collision, agit sur les gaz, ce qui conduit éventuellement à la fusion de deux galaxies par friction. Des événements rapides de production de nouvelles étoiles (flambées stellaires) accompagnent ces fusions. Les gaz présents dans une galaxie sont majoritairement de l’hydrogène atomique H, ou ionisé H+, mais des molécules y sont également mêlées en abondance, telles que le dihydrogène H2 et le monoxyde de carbone CO. En comparant les simulations numériques de la répartition de l’hydrogène aux observations à haute résolution des molécules, il devient possible de comprendre l’apparition, lors de ces collisions, de toutes sortes de structures fines inexpliquées apparaissant sur les images des galaxies : gauchissements, anneaux polaires, coquilles... Françoise Combes a compris et décrit l’existence de ces dernières, tant par le calcul que par l’observation. Étudiée grâce à la molécule CO que F. Combes y a mise en évidence, la galaxie de la Roue de chariot offre en particulier un bel exemple de coquilles. Ce rôle majeur des fusions de galaxies dans leur évolution et la formation des étoiles ont donné lieu à la création d’une bibliothèque (base de données). Appelée Horizon-GalMer et installée dans l’observatoire virtuel de l’Observatoire de Paris, elle contient des milliers de simulations de fusions de galaxies qui sont désormais disponibles à tous.

Du gaz moléculaire à la cosmologie

Les radiotélescopes millimétriques atteignent des performances exceptionnelles, tant en sensibilité qu’en résolution spectrale et angulaire. Françoise Combes et ses collaborateurs ont notamment utilisé les deux instruments de l’Institut de radioastronomie millimétrique (IRAM) que sont l’antenne de 30 mètres située au Pico Veleta, en Andalousie, et l’interféromètre du plateau de Bure, près de Grenoble, désormais développé sous le nom de Noema (Northern Extended Millimeter Array). Ainsi, étudiant la galaxie d’Andromède (M31) dès le début de sa carrière, elle a pu montrer que la molécule H2 retraçait sa structure spirale, jusqu’alors connue par la répartition des étoiles. Elle a également découvert la présence de CO dans des noyaux actifs (AGN), ainsi que des molécules jamais détectées jusque-là – telles que l’acétone ou l’hydronium H3O+ – dans d’autres types de galaxies, et entamé une quête à la recherche de la glycine, acide aminé qui pourrait être lié à l’évolution du vivant.

Les molécules H2 et CO sont abondantes sous forme gazeuse dans les galaxies. Et, parce que leur spectre observé est très sensible aux conditions physiques locales, elles peuvent être utilisées comme des sondes. Françoise Combes a été pionnière dans leur utilisation. Ainsi, l’observation du spectre de quasars très lointains met en évidence des raies spectrales moléculaires (CO, H20) qui sont interprétées comme étant dues à la présence d’un nuage moléculaire situé entre l’observateur et le quasar, et donc traversé par la lumière issue de ce dernier. Certains nuages étant très lointains (donc anciens), leurs propriétés ainsi mesurées donnent des indications importantes sur l’évolution cosmique.

Parmi les autres travaux particulièrement originaux utilisant cette sensibilité des molécules, on peut citer la mesure de décalages temporels de quelques semaines entre deux images d’une même galaxie lointaine, données par une lentille gravitationnelle (masse compacte agissant comme une lentille et déviant les rayons lumineux émis par une source lumineuse située en arrière-plan) plus proche. Citons encore une mesure remarquable : en observant le spectre de molécules présentes dans un très lointain nuage, on accède à la température du fond cosmologique dans le passé, car celle-ci est responsable de l’excitation de ces molécules et donc de l’intensité des raies spectrales observées. Cette mesure de l’évolution de la température du corps noir cosmologique au cours du temps a confirmé le modèle standard de la cosmologie.

Enfin, dans une liste loin d’être exhaustive, mentionnons l’observation, par le satellite Herschel et les instruments de l’IRAM, des raies moléculaires d’une galaxie presque « primordiale », puisque datée par son décalage spectral d’un milliard d’années après le big bang.

La cosmologie, déjà présente dans les travaux cités ci-dessus, est un domaine dans lequel Françoise Combes et ses collaborateurs sont particulièrement créatifs, et ce sous quatre aspects : la nature de la matière noire ; le rôle de la gravitation interne aux nuages de gaz (autogravité) lors de l’expansion de l’Univers ; la formation des premières étoiles lors de la phase de réionisation de l’Univers, environ un milliard d’années après l’instant 0 du big bang (ou singularité initiale) ; la modification envisagée de la loi de la gravitation. Notons ici une exploration particulièrement approfondie de l’hypothèse selon laquelle une fraction importante de la masse actuellement attribuée à une matière noire de nature inconnue serait en réalité, au sein des galaxies, du gaz moléculaire H2 froid (3 kelvins), abondant et distribué de façon fractale – une structure fractale ressemble à elle-même, à quelque échelle qu’on l’observe, tel un nuage turbulent de fumée de cigarette. La présence de ce gaz serait extrêmement difficile à déceler directement. Cette hypothèse, proposée par Françoise Combes dès les années 1990, pourrait résoudre de nombreuses questions sur l’évolution des galaxies, mais demande à être confirmée.

Françoise Combes a su donner une place importante à la transmission du savoir en dirigeant une quarantaine de thèses de doctorat– dont celle de Fabienne Casoli, première femme élue en 2020 à la présidence de l’Observatoire de Paris –, en collaborant aux travaux de jeunes chercheurs et en publiant des ouvrages destinés au grand public.

—  Pierre LÉNA

Écrit par :

  • : professeur émérite de l'université Paris-VII-Denis-Diderot, membre de l'Académie des sciences

Classification

Voir aussi

Pour citer l’article

Pierre LÉNA, « COMBES FRANÇOISE (1952- ) », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 03 décembre 2020. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/francoise-combes/