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Cyclope - 14/03/20001
Une galaxie, comment ça tourne?
• Comment se repérer dans l’espace (distances et vitesses)• Découverte de la rotation des galaxies et de la structure spirale• La machine galactique, évolution des galaxies• Environnement, interactions
Cyclope - 14/03/20002
Se repérer dans l’espace
Mesurer les distances
• Parallaxe:
• Chandelle standard:
• Décalage spectral:
Déplacement des étoiles proches relativement aux plus lointaines en fonction du point de vue (effet stéréoscopique)
Quelques milliers d’années-lumière
Etoiles dont la luminosité (puissance) peut être obtenue sansconnaître leur distance (étoiles pulsantes Céphéides)
Quelques millions d’années-lumière
A cause de l’expansion de l’univers, la lumière qui nousprovient des galaxies lointaines est rougie proportionnellementà leur éloignement
A priori à l ’infini, mais on ne parle plus de distances...
Cyclope - 14/03/20003
Se repérer dans l’espace
Mesurer les vitesses
•Une seule méthode: l ’effet Doppler
Cet effet ne permet de mesurer que les vitesses radialesc’est à dire dans la direction de l’observateur.
Cyclope - 14/03/20004
Premières observations de galaxies
Au 18ème siècle, pour éviter de fausses
découvertes de comètes,Messier entreprend le
premier catalogue d’objetsnébuleux. Parmi ces objetsse trouvent des galaxies, bien qu’à l ’époque elles ne soient pas identifiées
comme telles.
Cyclope - 14/03/20005
A la découverte de notre voisinage
Cyclope - 14/03/20006
La structure spirale de la Voie Lactée
Les étoiles et amas proches ne sont pas distribués au hasard, mais suivant des structures allongées et « concentriques ».
Cyclope - 14/03/20007
Principe de la reconstructiondes positions à l ’aide
de la vitesse.
La structure spirale de la Voie Lactée
Les bras spiraux dela Voie Lactée
Diagramme Position-Vitesse duplan Galactique.
Cyclope - 14/03/20008
La structure spirale dans les autres galaxies
M 31 Sb NGC 2997 Sc NGC 1313 Sd-Irr
M83 SABc
M100 SABbcNGC 1365 SBb
Cyclope - 14/03/20009
Quelques définitions...Unités:1pc = 3.08 1016 m
Echelles caractéristiques
Notre plus proche voisine (M31 ou lagalaxie d’Andromède = 731 kpc)
Amas de la Vierge = 18 Mpc
Bras spiraux
Bulbe central« Inter-bras »
Traînées de poussière interstellaire
Disquegalactique
Cyclope - 14/03/200010
Toutes les galaxies spirales tournent...La cause de la rotation des galaxies est la force de gravité.Mais la matière qui donne naissance à cette force restemal connue...
En jaune, courbe de rotationattendue du fait de la matière connue
En rouge, courbe observée
Matière noire
Cyclope - 14/03/200011
Une autre structure en rotation: la spiraleLa spirale, où se concentrentles étoiles bleues, est une seconde structure en rotationdans le disque des galaxies.Mais contrairement aux étoiles, ça n’est pas unestructure physique. C’est une onde, et elle tourne à une vitesse différente decelle des étoiles.
Cyclope - 14/03/200012
Exploration de la structure spirale
Composite Visible proche-infrarouge (1.25µm)
Dans le visible et le proche infrarouge,la spirale est assez diffuse, on distinguele disque de la galaxie
M 51
Cyclope - 14/03/200013
Exploration de la structure spirale
Recombinaison de l'Hydrogène(H)
Ultra-violet non-ionisant
Dans l’ultra-violet, on ne voit plus que la spirale, et elle est très fragmentée.
Cyclope - 14/03/200014
Le diagramme H-R
Couleur
Soleil
Plus une étoile est lourdeet jeune, plus elle estchaude, plus elle émet derayonnement ultra-violet.
Les cartes de galaxiesen ultra-violet nousmontrent les régions oùse forment les étoiles.
La structure spirale matérialise les régions de formation stellaire
Cyclope - 14/03/200015
Formation stellaire: la machine galactique
La structure spirale nous désigne le lieu où se formentles étoiles d’une galaxie. Cette structure se déplacedans la galaxie. De ce fait, la matière entre et sort de lastructure spirale de façon régulière.
C’est le cycle de la matière galactique,la base de l ’évolution des galaxies.
• Quels sont les ingrédients de ce cycle?• Comment fonctionne-t-il?• Comment se régule-t-il?
Cyclope - 14/03/200016
Ingrédients de base: le gaz atomique NGC 628
Contours: gaz atomiqueNiveaux de gris: disque stellaire
M 101Niveaux de gris: gaz atomiquele disque stellaire a un diamètrede 10 minutes d'arc
Le disque de gaz est 3 à 4 fois plus étendu que le disque stellaire
Cyclope - 14/03/200017
Ingrédients de base: gaz moléculaire M 101
Niveaux de gris: étoilesContours: gaz moléculaire
Le gaz moléculaire se trouveprincipalement à l'intérieur du disque stellaire
M 51Contours: gaz moléculaire
Cyclope - 14/03/200018
Principe de la formation d’étoilesOnde spiraleTempsNuages moléculairesRégions de formation stellaireSupernovaeJeunes amas stellaireVielles associations stellaires
• Au passage du bras, le gaz est comprimé.• La compression déclenche la formation d’étoiles.• Avant la sortie du bras, les plus massives explosent en supernova.• En sortie du bras, seules les étoiles de faible masse, à durée de vie longue, survivent.
Cyclope - 14/03/200019
Détail des régions de formation stellaire
Association OBGaz IoniséGaz Neutre,atomique et chaudGaz Moléculairefroidzone de photodissociationCOH2[CII][OI]H
Stratification du milieu interstellaireautour d'étoiles massives
Cyclope - 14/03/200020
Détail des régions de formation stellaire
Exemple de deux régions de formation d’étoiles massives et de leur impact sur l’environnement
Cyclope - 14/03/200021
Mécanismes d’auto-régulation
• "Destin" d'un nuage de gaz dans une galaxie: l'effondrement
(malgré la présence de champ magnétique et/ou turbulence)
• "But" de la galaxie: retarder cet effondrement (perdurer)
- Empêcher le nuage de perdre son énergie- Injecter de l'énergie
Meilleur moyen: former des étoiles, sources • d'énergie radiative• d'énergie cinétique
Source principale: Les étoiles massives (les plus chaudes) qui terminent leur vie en SuperNovae
Cyclope - 14/03/200022
Forte influence du spectre stellaireet de la densité
Mécanismes d’auto-régulation
Les différentes voies de transfert de l'énergie émise par les étoiles
• Ionisation du gaz
• Photo-dissociation
• Chauffage de la poussière
h> 13.6 eV absorbé par le gaz près des étoiles- création des régions HII (émission H)- excitation collisionnelle (e-) des raies de structure fine
l'UV non-ionisant dissocie les molécules- destruction des nuages moléculairesChauffage de ce gaz par collision avec e-
La poussière peut absorber le rayonnementde l'UV au visibleElle est source d'électrons de "chauffage" pour le gaz
Cyclope - 14/03/200023
Mécanismes d’auto-régulation
Sources: - Explosions de supernovae- Vents d'étoiles
Explosion de Supernovae
Génère l'expansion d'une bulle de gaz chaud (et enrichi)
Développement d'instabilités à l'interface avecle milieu ambiant
ChauffageInjection d'énergieDispersion du milieu interstellaire
Injection/accélération des rayons cosmiques
Interaction avec le milieu interstellaireà grande échelle
Cyclope - 14/03/200024
Mécanismes d’auto-régulation: un exemple
Région de formation stellaire massive dans le Grand Nuage de Magellan
En rouge, gaz ionisé observéen rayons X: 1 million de K
En vert, recombinaison del’hydrogène: quelques 10000 K
En bleu, émission dansl’ultra-violet: étoiles massives
Formation d’unamas globulaire
30 Doradus
Cyclope - 14/03/200025
Mécanismes d’auto-régulation
Pour équilibrer l'influence des étoiles il existe une série de mécanismes intervenant aux interfaces des différentes phases
Exemples • contre la dissociation
• contre l'ionisation
• contre le chauffage du gaz
re-formation des molécules à la surface des grainsmécanisme d'auto protection (effet de densité)
recombinaison (effet de densité)
Existence de raies de refroidissement efficaces ([CII], [OI])
L'équilibre entre ces différents mécanismes règle l'évolutiondu taux de formation stellaire et donc celle de la galaxie
Cyclope - 14/03/200026
L’environnement galactique: perturbations...
Tant qu’une galaxie est isolée, les mécanismes décrits précédemment lui permettent de contrôler son évolution. Mais les galaxies sont rarement isolées...
le groupe local
Cyclope - 14/03/200027
Interactions gravitationnelles
Visible
Radio
La gravité arrache le gaz des galaxiessatellites, perturbe leurs mécanismesinternes et déclenche des flambées de formation stellaire
M 82
M 81
Cyclope - 14/03/200028
Interaction gravitationnelle: ici aussi!
Notre galaxie détruitlentement ses deux plusproches voisins: lesNuages de Magellan
Cyclope - 14/03/200029
Interaction gravitationnelle: collisions
La collision de deux galaxies spirales entraîneles sursauts de formation stellaire les plusviolents de l’univers.Les structures en « antennes » sont le signeindubitable de l’interaction gravitationnelle.
Cyclope - 14/03/200030
Quand la densité augmente: groupes et amas
Les groupes sont des ensembles d’une dizainede galaxies. Certains sont« dilués » comme le nôtre.D’autres sont compacts etles effets d’interaction y sont nettement plus violents
Noter l’apparition de galaxieselliptiques (possible résultat dela fusion de galaxies spirales)
Cyclope - 14/03/200031
Quand la densité augmente: groupes et amas
Amas de Coma
Les amas de galaxies renferment un nombre très importantde galaxies elliptiques dont on pense qu’elles proviennentde la fusion de plusieurs galaxies
Amas de la Vierge
Cyclope - 14/03/200032
Evolution des amas: harcèlement galactique
Coma, 300 kpc, aujourd’hui Un amas, 300 kpc, il y a 4 milliard d’années
Au cours du temps, les spirales disparaissent, au profit des elliptiques: elles sont détruites par interaction gravitationnelle et leur gaz estentièrement transformé en étoiles.
Cyclope - 14/03/200033
Evolution des galaxies: simulations
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Collision symétrique
Collision asymétrique
