Astronomie Extragalactique

Faculté des arts et des sciencesDépartement de physique

Astronomie Astronomie ExtragalactiqueExtragalactique

Cours 11 : Simulations et Cours 11 : Simulations et observations Structure à grande observations Structure à grande

échelle Paramètres échelle Paramètres cosmologiques WMAPcosmologiques WMAP


Modèle standardModèle standard• Le modèle de matière sombre froide (Le modèle de matière sombre froide (Cold Dark Cold Dark

Matter)Matter) avec constante cosmologique avec constante cosmologique (ou (ou énergie sombre) énergie sombre) CDM est le paradigme CDM est le paradigme actuellement accepté pour expliquer la formation actuellement accepté pour expliquer la formation et les structures de l’Universet les structures de l’Univers

• Avec la théorie d’inflation cosmique (expansion Avec la théorie d’inflation cosmique (expansion d’un facteur d’un facteur >>10102626 à t à t ~~1010-35-35sec), cette théorie sec), cette théorie fait une prédiction claire des conditions initiales fait une prédiction claire des conditions initiales pour la formation des structures et prédit que les pour la formation des structures et prédit que les structures vont grossir de façon hiérarchique structures vont grossir de façon hiérarchique grâce à des instabilités gravitationnelles (à partir grâce à des instabilités gravitationnelles (à partir des inhomogénéités observées dans le CMB)des inhomogénéités observées dans le CMB)


Large SurveysLarge Surveys


2dFGRS2dFGRS

• 2dFGRS (2dFGRS ( 2dF Galaxy Redshift Survey 2dF Galaxy Redshift Survey ): spectres ): spectres de 245 591 objets (bde 245 591 objets (bJJ << 19.45) couvrant 1500 degrés 19.45) couvrant 1500 degrés carrés obtenus au AAT (Colless et al. 2001)carrés obtenus au AAT (Colless et al. 2001)


2dFGRS2dFGRS


2dFGRS2dFGRS

2dFGRS web page


2dFGRS2dFGRS


2dFGRS2dFGRSCfA surveyCfA survey

ComaComa


2dFGRS2dFGRS


2dFGRS2dFGRS


2dFGRS2dFGRS


2dFGRS2dFGRS


2dFGRS2dFGRS


SDSSSDSS106 spectres / 104 degrés carrés = 100 spectres par degré carré!

On utilise 2 spectrographes multi-fibres identiques chacun ayant 320 fibres couvrant les longueurs d’onde de 3900-9100 AChaque spectrographe a deux caméras, une pour le rouge et une pour le bleu avec un détecteur CCD de 2048 x 2048

Maximum de 5760 spectres durant une longue nuit


SDSSSDSS

Spectre du quasar le plus distant (à l’époque) que l’on connaisse à z = 5.82


SDSSSDSS


SDSSSDSS• Les grands surveys permettent de mesurer le

spectre de puissance des galaxies P(k)• Le spectre de puissance P(k) mesure la strength

of clustering on all scales (nombre d’onde k)• P(k) est essentiellement le carré de la

transformée de Fourier de la distribution en densité des galaxies

• Besoin d’un grand volume pour l’étudier sur toutes les échelles et s’affranchir des effets de bord

• La forme et l’amplitude de P(k) contraint la formation des structures et leur évolution


SDSSSDSS


2dFGRS vs SDSS2dFGRS vs SDSS


Simulations (projet Simulations (projet Millenium)Millenium)

• Le projet Millenium est la plus grande Le projet Millenium est la plus grande simulation de la formation des structures dans simulation de la formation des structures dans la cosmogonie la cosmogonie CDMCDM

• Elle utilise 10Elle utilise 101010 particules pour suivre la particules pour suivre la distribution de la matière sombre dans un distribution de la matière sombre dans un cube 100cube 100hh-1-1 Mpc de côté avec une résolution Mpc de côté avec une résolution de 5de 5hh-1-1 kpc du redshift z=127 jusqu’à z=0 kpc du redshift z=127 jusqu’à z=0

• Elle permet l’étude de la formation et de Elle permet l’étude de la formation et de l’évolution de l’évolution de ~~101077 galaxies plus lumineuses galaxies plus lumineuses que le SMCque le SMC


SimulatioSimulations ns (Millenium (Millenium

project)project)

cosmic cosmic webweb



• La composante de masse dominante, la La composante de masse dominante, la matière sombre froide (CDM), est supposée matière sombre froide (CDM), est supposée être constituée de particules élémentaires qui être constituée de particules élémentaires qui n’interagissent que par la gravitén’interagissent que par la gravité

• Donc, le Donc, le fluidefluide de matière sombre sans de matière sombre sans collisions peut être représenté par un nombre collisions peut être représenté par un nombre discrets de particules ponctuellesdiscrets de particules ponctuelles

• La simulation peut prédire les positions, les La simulation peut prédire les positions, les vitesses et les propriétés intrinsèques de vitesses et les propriétés intrinsèques de toutes les galaxies plus brillantes que le SMC toutes les galaxies plus brillantes que le SMC dans des volumes comparables aux plus dans des volumes comparables aux plus grands grands surveyssurveys (2dFGRS, SDSS) (2dFGRS, SDSS)



• La simulation peut montrer les liens La simulation peut montrer les liens évolutifs entre les objets observés à évolutifs entre les objets observés à différentes époques.différentes époques.

• p.e., la simulation démontre que les p.e., la simulation démontre que les galaxies avec un trou noir supermassif au galaxies avec un trou noir supermassif au centre peuvent se former très tôt dans centre peuvent se former très tôt dans l’hypothèse l’hypothèse CDM et être les hôtes des CDM et être les hôtes des premiers QSO et que ceux-ci se premiers QSO et que ceux-ci se retrouveront au centre d’amas riches (cD)retrouveront au centre d’amas riches (cD)


Amoncellement Amoncellement hiérarchiquehiérarchique

Galaxiemature

Galaxiejeune

Galaxie enformation

HDF


Amoncellement Amoncellement hiérarchiquehiérarchique

Galaxie jeune


Amoncellement Amoncellement hiérarchiquehiérarchique+ + mergersmergers

• Interaction & mergers vont comme (1+z)4

• Interaction & mergers très importants dans le passé• Aujourd’hui: évolution séculaire plus importante


Hierarchical clusteringHierarchical clustering


Hierarchical clusteringHierarchical clustering

2dGRS


• Ce film montre Ce film montre la distribution la distribution de matière de matière sombre dans sombre dans l’Univers l’Univers présentementprésentement

• Le film zoom Le film zoom sur un amas de sur un amas de galaxies massifgalaxies massif

• Les échelles Les échelles vont du Gpc à vont du Gpc à ~~10 kpc10 kpc


Visualisation 3-Dde la simulation

Millennium


Rich Clusters

Groups

Galaxies


SimulationsSimulations (projet (projet Millenium)Millenium)

dark luminous


SimulationsSimulations (projet (projet Millenium)Millenium)






SimulationSimulations s (projet (projet Millenium)Millenium)

Distribution de la matière sombre

Distribution desgalaxies

lumineuses




WMAP et la mesure des WMAP et la mesure des anisotropies du anisotropies du

rayonnement de fond rayonnement de fond cosmologiquecosmologique


Histoire de l’univers


Rayonnement de fond cosmologique

• Derniers photons diffusés au moment du découplage dû à la re(?)combinaison des e- avec les noyaux

• Rayonnement de corps noir à 2.725 K• Mesures faites par COBE (rayonnement très isotrope):


AnisotropiesAnisotropiesDifférence entre les Différence entre les

régions les plus régions les plus chaudes et les chaudes et les

moins chaudes de moins chaudes de l’ordre de 0.0005Kl’ordre de 0.0005K

Régions de haute Régions de haute densité au moment densité au moment de la dernière de la dernière diffusion plus diffusion plus chaudes, régions de chaudes, régions de moindre densité plus moindre densité plus froides. froides.


Origine des anisotropiesOrigine des anisotropies• Variations dans le potentiel gravitationnel dues aux variations de densité créées par des fluctuations quantiques agrandies par l’inflation.•Avant la recombinaison T > 3000K: fluide (plasma) de photons et baryons• La gravité tend à comprimer le fluide dans les puits de potentiel des régions de haute densité, et la pression de radiation résiste.


RecombinaisonRecombinaison• Lorsque T < 3000 K, les électrons libres qui

emprisonnaient les photons dans le fluide ‘disparaissent’ pour former les atomes d’hydrogène.

• Les photons quittent les régions de compression ou de raréfaction à cette époque (dernière diffusion) régions de haute ou de basse température dans le rayonnement de fond.

• Les pics forment une série harmonique en nombre d’onde

• Les photons subissent aussi un redshift quand ils sortent des puits de potentiel.

Faculté des arts et des sciencesDépartement de physique Modes des ondes

acoustiquesDepuis l’inflation jusqu’à la recombinaison (~300000 ans), les ondes ont pu osciller un certain nombre de fois avant de geler.Chaque mode donne une grandeur caractéristique entre les extrema, traduite en angles vus sur le ciel (1° pour le premier mode et plus petit pour les autres). Il est usuel d’exprimer les anisotropies de température du rayonnement de fond sur le ciel comme une expansion en harmoniques sphériques:


Décomposition en Décomposition en multipôlesmultipôles


Pics

• Au temps de recombinaison, les pics pairs sont au maximum de raréfaction, les pics impairs, au maximum de compression

• Les positions des pics de ce spectre fournissent énormément d’informations.


11erer pic pic11erer pic (k = pic (k = / s): / s):

11ereere compression lors de la dernière diffusion. compression lors de la dernière diffusion.Pour un univers ouvert, l’horizon sonique va correspondre à un Pour un univers ouvert, l’horizon sonique va correspondre à un angle plus petit… angle plus petit… Détemination de la courbure selon la position du premier pic !Détemination de la courbure selon la position du premier pic !


22èmeème pic pic Plus le nombre de baryons est grand dans le plasma, plus la compression est grande par rapport à la raréfaction.

Le rapport entre le 1er et le 2eme pic nous donne le nombre de baryons.


33èmeème pic picLe troisième pic nous Le troisième pic nous donne le rapport entre donne le rapport entre matière et radiation. matière et radiation.

On connaît la quantité On connaît la quantité de baryons, on connaît de baryons, on connaît la quantité de radiation, la quantité de radiation, on peut donc en on peut donc en extraire la quantité de extraire la quantité de matière sombre.matière sombre.


Pics: résuméPics: résumé

plateau Sachs-Wolfe


Résultats de WMAPRésultats de WMAP


Résultats (WMAP + autres Résultats (WMAP + autres mesures)mesures)

• L’univers a 13.7 milliards d’années (1%)• Premières étoiles: 200 millions d’années• Surface de dernière diffusion: 379 000 ans• Contenu de l’univers:

– 4 % atomes– 23% matière sombre froide– 73% énergie sombre– Contraintes sur l’énergie sombre: constante cosmologique

• Valeur de la constante de Hubble: 71 km/sec/Mpc (5%)• Nouvelle preuve de l’inflation• Univers plat


Valeur des paramètres Valeur des paramètres obtenusobtenus

Documents

Astronomie Extragalactique