Formation et évolution des Galaxies
Conférence Club Astro Antony
26 Mai 2007Françoise Combes
Observatoire de Paris
Galaxies dans l'Univers jeune
Voir plus loin, c'est remonterdans le temps
Aujourd'hui jusqu'à z~ 6(ou 95% de l'âge de l'Univers)
Galaxies plus nombreuses
Formation de plusd'étoiles
Noyaux plus actifs
Schéma de formation des structures
Fluctuations primordialesfond cosmologique
Structures filamentairessimulations cosmologiques
Galaxies baryoniquesvues avec le HST
Formation hiérarchique des galaxies
Les galaxies étaientplus petites et plusnombreuses
Selon l'environnementles galaxies évoluentà différentes vitesses
Interactions entregalaxies
Ultra-lumineusestoujours desfusions degalaxies
Séquence de Hubble (diapason)
Séquence de masse, de concentration
Fraction de gas
Evolution sur la séquence de Hubble
NGC 1232 (VLT image)SAB(rs)c
NGC 2997 (VLT)SA(s)c
NGC 1365 (VLT)(R')SBb(s)b
Messier 83 (VLT)NGC 5236 SAB(s)c
Formation de barres
étoiles
gaz
Formation d'anneaux aux résonances
Temps total: 1.2 Gyr
Formation des spirales et des barres
Les galaxies comme disques d'accrétion
Les galaxies sont en perpétuelle évolutionTendance à concentrer la matière (moindre énergie)
La gravitation est le principal moteur
Mais les mouvements de rotation empêchent la matière dese concentrer
•Dissipation d'énergie (gaz) pour réduire les mouvementsd'agitation
•Formation de spirales pour évacuer la rotation
Profil vertical: cacahuètes
NGC 128Galaxie cacahuète
COBE, DIRBE Voie Lactée
N2442
N613
N3351
N5850
Il peut se former deux barres emboîtées, comme des poupées russes. Ici une barre nucléaire (à droite, champ de 36") au sein de la barre primaire (à gauche, champ de 108").Les barres secondaires tournent plus vite que les barres primaires
NGC 5728DSS+CFHOptique AdaptativeNIR
NGC4314
Formation d'étoiles dansl'anneauentourantla barrenucléaire
Les barres nucléaires sont surtout visibles en infrarouge, non perturbépar l'extinction
Mk1066
NGC 3081
NGC 3982
Télescope Spatial HST
Barres Nucléaires
Destruction des barresLes barres concentrent la matière vers le centre
Pourtant, dès que 5% de la masse de la galaxie est concentrée dans le noyau, la barre est détruite
Phénomènes d'auto-régulation
Avec accrétion de gaz de l'extérieurune barre peut se reformer dans ledisque à nouveau instable
3 ou 4 épisodes barrées dans la vie d'une galaxie
Changement de types
Interactions entre galaxies
•Phénomènes de marée très fréquents
•Formation de ponts de matière entre les galaxies
•Fusion entre galaxies
•Formation hiérarchique des galaxies
Messier 51et son compagnon NGC 5195
Les premières
simulations numériques, dans les années 1970!
Messier 51couleur
DSS
2 MassNIR
Radio, VLA
Keel website
Les Antennes
Hibbard
Les Antennes HSTformation de SSC(Super Star Clusters)
Les Antennes, HI
Contours obtenus au VLA+BVR colors
Splash de gaz interstellaireMessier 81, Messier 82, NGC 3077HI
Reconstitution de l ’interactionRapport de masse faible, de l’ordre de qq %
Plusieurs passages depuis la formation du Groupe Local
Les Nuages avancentdevant
Contraintes sur lamasse de la Voie Lactée
V ~200 km/s
Le Courant Magellanique
Détecté en hydrogène atomique HI à 21cm de longueur d ’ondeAutant de masse de gaz dans le courant que dans le Petit Nuage SMC
Le gaz doit avoir été aspiré du Petit Nuage, selon les simulations
Putman et al 98
Nuages à grande vitesse tombant sur la Galaxie
Origine encore inconnue
Leur masse dépend de leur distanceRésidus de la formation du Groupe Local? --> très massifsOu juste chute des Nuages de Magellan?
Origines multiples
Aussi, effet fontaineaprès formation desupernovae..
Wakker et al 99
Interaction avec Andromède
La galaxie la plus massive du Groupe Local, comparable à la VoieLactée, n ’est qu ’à 700 kpcElle se dirige vers nous à 300km/s
Sur la base de sa vitesse radiale, le temps d ’approche est de 2 Gyr
Mais sa vitesse tangentielle estinconnue
Bientôt des mouvements propres avec le satellite GAIA
Simulations de la rencontre avec M31
Simulations numériquesLa longueur des queues de marée contraint la quantité de matière noireet surtout sa concentration
Ensemble de fusions de galaxies(Hibbard)
Galaxies en anneauLorsque la collision est de plein fouet, les deux bras spiraux s'enroulent en anneau: onde de densité concentriques
Les anneaux sont décentrés, et ne peuvent se confondreavec les anneaux résonants dans les galaxies barrées
De même, un autre phénomène: les anneaux polaires(une fois vus de face..)
La galaxie d’Andromède (M31)
Infra-rouge, satellite Spitzer anneaux
Poussières et PAH, anneau interne 40% offset
Simulationnumérique
N-corps + hydro106 particules350pc résolution
Une galaxie spirale barrée initialement
Puis collision 210 106 ans
Rapport masse 1/13
Formation des anneaux polaires
soit par fusion de galaxiesavec J perpendiculaires
Ou par accrétion de gas dansles parties externes
cf LMC/MW
Forme à 3D de la matièrenoire?
Formation des Anneaux Polaires
Par collision?Bekki 97, 98
Par accretion?Schweizer et al 83Reshetnikov et al 97
Formation des PRG par collision
Formation des PRG par accrétion
Bournaud& Combes2003
Scénario de l’accrétion
Capable de former des PRinclinés
NGC 660 Gas+stars Gas only
NGC 660 contient du gazProbablement instable par précessionMême si self-gravitant
Pas dans le scénario du merging
Formation des Elliptiques par fusion
Fusion de spirales de masse comparable ("major mergers")mais aussi beaucoup de masses plus petites ("minor mergers")
Obstacles: le nombre des amas globulaires,la densité dans l'espace des phases au centre des E-gal
NGC 7252
HI 21cm
Formation de nainesde marées(tidal dwarfs)
Coquilles autour de galaxies elliptiques
Phénomène très fréquent,
NGC 3923: 25 shells
jusqu'à 200kpc du centre
Alignement perpendiculairementau grand axe, pour les galaxiesalongées
S'enroulent aléatoirement pourles galaxies rondes en projection
Mécanisme d’ « enroulement de phase »
Forme à 3D des galaxies elliptiques? Matière noire?
Gaz dans les coquilles?
Jaune: star shells
Blanc: HI
Bleu: Radiojets
RougeCO obs
Formation de trous noirs massifs
•Existence de trous noirs de quelques milliards de Msol
Phénomène de Noyaux Actifs de Galaxies (NAG ou AGN)
•Quasars (ou quasi-stars, car objets ponctuels, très loin)1000 fois la luminosité de la Voie Lactée
Galaxies active de Seyfert, LINERS, etc..
•Rendement exceptionnel de l'énergie gravitationnelle 10% Mc2
Astrométrie et mouvements propres au centre galactique
Animation du mouvement des étoiles
Film duMax-PlanckInstitut,Allemagne
Animation du mouvement des étoiles, dans le centre de la Voie Lactée
Sursaut Infrarouge du trou noir de la Galaxie
1.7microns, NACO, VLT, 30min, May 2003
Disques d'accrétion et Noyaux Actifs
Quelques % des galaxies sont des AGN 2 possibilités
1-seules de rares galaxies ont des trous noirs
2-toutes en ont mais la période active estcourte, quelques 10 millions d'années
Solution: 2 est vraie
La masse du trou noir est proportionnelleà la masse du bulbe, 0.2 %
Ejection de plasma: lobes radioCygnus A
Lobes Radio et Galaxie visible
Trou Noir en rotation: origine des Quasars?
Microquasars
Trous noirs binaires
•Une galaxie géante aujourd'hui est le résultat de ~10 fusionsdurant l'âge de l'Univers
•Lorsque deux galaxies fusionnent, leurs trous noirs tombentau centre par friction dynamique
Durée de vie du système binaire?Effet de fronde d'un troisième trou noir?
Collision entre deux trous noirs, formation d'un trounoir binaire
Formation de 4 jets avecdeux trous noirs massifs
3C75
OJ287, courbe de lumière 100 ans
Cartes VLBI du jet de 1928+738 oscillations dues au moouvement orbital du trou noir binaire, période 3.2 an
Galaxies hôtes de quasars
Histoire de la formation des étoiles
z=0 Gallego et al (1995)z < 1 CFRS data (Flores et al 99) empty circle Yan et al 99z>1 Pettini et al 98, HST
Simulations numériques
Avec des fluctuations postulées au départ, gaussiennes, lerégime non-linéaire peut-être suivi
Surtout pour le gaz et les baryons (CDM facilement prise en comptepar des modèles semi-analytiques, à la Press-Schechter)
Densité des quasars radio (Parkes flat-spectrum)
Les quasars optiques suivent la même courbe
très similaire à l'histoire de la formation d'étoiles
Quasars Etoiles
Epilogue
Les galaxies sont en pleine évolution
Les disques se forment en premier, et servent à concentrer la matière, former les bulbesLes disques se renouvellent sans cesse par accrétion de gaz externe
Les trous noirs massifs se forment de la même façon que les bulbes
-- évolution interne par les barres/spirales, -- externe par les interactions entre galaxies
l'Univers était plus actif autrefois