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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

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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...

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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.

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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.

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A la découverte de notre voisinage

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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 ».

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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.

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La structure spirale dans les autres galaxies

M 31 Sb NGC 2997 Sc NGC 1313 Sd-Irr

M83 SABc

M100 SABbcNGC 1365 SBb

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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

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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

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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.

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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

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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.

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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

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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?

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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

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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

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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.

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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

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Détail des régions de formation stellaire

Exemple de deux régions de formation d’étoiles massives et de leur impact sur l’environnement

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Interaction gravitationnelle: ici aussi!

Notre galaxie détruitlentement ses deux plusproches voisins: lesNuages de Magellan

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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.

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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)

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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

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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.

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Evolution des galaxies: simulations

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Collision symétrique

Collision asymétrique