Structure et Evolution de l’Univers

Françoise Combes

Observatoire de Paris

CNED, 24 Mars 2010

2

Structure et évolution de l'Univers

• Notre position dans l'Univers

• Distribution fractale des galaxies

• Fond cosmologique à 3K

• Big-Bang, Inflation

• Formation des galaxies

• Simulations Numériques

• Matière Noire, Energie Noire

3

Densité des structures dans l’Univers

Système solaire 10-12 g/cm3

Voie Lactée 10-24 g/cm3

Groupe Local 10-28 g/cm3

Amas de galaxies 10-29 g/cm3

Superamas 10-30 g/cm3

Densité des photons (3K) 10-34 g/cm3

Densité critique (=1) 10-29 g/cm3

4

Tailles dans La Galaxie

Etoiles, R=15kpc= 45 000 al

Gaz, R=50kpc

1AU = 1.5 1013cm1pc = 3 1018cm

1pc =2 105 AU

5

Amas et superamas proches (Jarrett 2004)

6

Gott et al (03)Carte ConformeLogarithmique

"Grand Mur"Great Wall SDSS1370 Mpc

80% plus long quele Great Wall CfA2

7

Grands surveys de galaxies

CfA-2 18 000 spectres de galaxies (1985-95)SSRS2, APM..

SDSS: Sloan Digital Sky Survey: 1 million de spectres de galaxiesimages de 100 millions d'astres, 100 000 Quasars1/4 de la surface du ciel (2.5m telescope)Apache Point Observatory (APO), Sunspot, New Mexico, USA

2dF GRS: Galaxy Redshift Surveys: 250 000 spectres de galaxies AAT-4m, Australia et UK (400 spectres par pose)

8

9

10Comparaison du CfA2 et SDSS (Gott 2003)

11

Structures fractales dans l’Univers

Les galaxies ne sont pas distribuées de façon homogènemais selon une hiérarchieLes galaxies se rassemblent en groupes, puis en amas de galaxieseux-mêmes inclus dans des superamas (Charlier 1908, 1922,Shapley 1934, Abell 1958).

En 1970, de Vaucouleurs propose une loi universelle

Densité taille - avec = 1.7

Benoît Mandelbrot en 1975 crée le nom de « fractal » extension aux structures de l’UniversRégularité et ordre dans le chaos

12

Paradoxe d’Olbers

Pourquoi le ciel est-il noir?

Dans l’Univers hiérarchique de Charlier, la condition est Ri+1/Ri > Ni+1

Ou bien, dans le cadre des fractals D > 1car (Ri+1/Ri)D = N

Projection de fractals avec D > 2 projection dim=2

Il est donc suffisant, pour que les galaxies ne remplissent pas lasurface de l’Univers, que le fractal soit de dimension < 2

En fait, le paradoxe est résolu aussi par le Big-Bang(univers fini dans le temps) et l’expansion (redshift)

13

Densité des structures dans l’Univers

Système solaire 10-12 g/cm3

Voie Lactée 10-24 g/cm3

Groupe Local 10-28 g/cm3

Amas de galaxies 10-29 g/cm3

Superamas 10-30 g/cm3

Densité des photons (3K) 10-34 g/cm3

Densité critique (=1) 10-29 g/cm3

14

Principe Cosmologique

Après Copernic, personne ne prétend que nous occupons une position privilégiée

Pourtant, la densité décroît autour de nous

Principe Cosmologique: isotropie et homogénéitéL’Univers est paramétré selon ce principe (la métrique du référentiel existe)

Préjugé non étayé par les observations?: l’échelle d’ homogénéitén’a pas encore été atteinte

Fonction de Corrélation à 2 points: loi de puissance de pente ( r ) r-(Peebles 1980, 1993)

15

Quelle est l’échelle limite sup du fractal? 100 Mpc, 500 Mpc?

Corrélations: formalisme inadéquat (on ne peut pas se servir de la densité)

Densité autour d’un point occupé

( r ) r-

Sur la figure, pente = -1 Correspondant à D = 2

M ( r ) ~ r2

16

Transition vers l’homogénéitéNombreuses controverses, groupes de Princeton (J. Peebles), et de Rome (L. Pietronero)

Principal argument pour l’homogénéité: le fond cosmologique à 3K(Smoot et al 1992) COBE: fluctuations de 10-5 à 7°

Il doit exister une transition, correspondant aux échelles non-encoreeffondrées gravitationellement, découplées (non linéaires)

Transition variable dans le temps

17

Le ciel est uniforme à =3mm

Une fois le niveau constant soustrait dipole ( V = 600km/s)

Après soustraction du dipole, la Voie Lactée, émissionsde la poussière, synchrotron, etc..

Soustraction de la Voie Lactée fluctuations aléatoires

T/T ~ 10-5

18

Fonds cosmologique à 3K CMB

2.73K au-dessus de zéro (~ -270° C)

longueurs d'onde millimétriques/cm ( ~= four micro-onde)

400 photons/cm3 (10 000 milliards /s/cm2)

1% de la "neige" sur un poste TV

Homogène et siotrope à 10-5 près

Ces anisotropies nous renseignent sur les fluctuations ayant donné naissance aux galaxies

Dernière surface de diffusion (380 000 ans après le Big-Bang)

19

Spectre du CMB

20

Le Big-Bang

Modèles classiques de Friedmank<0 Hyperboliquek=0 Paraboliquek>0 Elliptique, fermé

Avec constante cosmologique

crit

Expansion, loi de Hubble V=HD

21

Paramètres de l'Univers

crit

22

Expansion de l'Univers et redshift

23

Nucléosynthèse primordiale

Yang et al 1984

Contraintes sur lerapport nombres de baryonssur le nombre de photons

b = 0.05

24

Inflation

Expansion accélérée, exponentielle, de l'Univers, proposéepar Guth (1981)

Energie de l'inflaton: équivalent à une constante cosmologique

Explique l'homogénéité, l'isotropie et la platitude de l'Univers(-1) croît avec t

Résoud le problème de l'horizon, qui croît avec tor les structures croissent comme R(t) ~ t1/2

Les fluctuations quantiques sont amplifiées elles sont à l'origine des fluctuations de matière et des galaxies

25

Horizon de l'Univers

Vous êtes ICI au centre del'Univers visible

Regarder loinrevient à remonterdans le temps

Jusqu'au Big-Bangil y a 13.7 milliardsd'années

On ne voit que jusqu'à ladernière surface de diffusion380 000 ans après le Big-Bang

26

Solution du problème

de l'horizon

27

Anisotropies du CMB

Processus physiques simplesgravité, thermodynamiquephotons couplés avec le plasma

Régime linéaireOndes acoustiques

L'horizon à cette époque est de1° (COBE a pour résolution 7°)

28

Crée une dépression

Onde sonore à c /√3 Horizon sonoreà la recombinaison

R~150Mpc

Galaxies

dans les sur-densités

Ondes acoustiques

Une simple perturbation

29

Multiples perturbations

30

Résultats WMAP

m = 0.28 = 0.72b =0.05Ho = 71km/s/Mpc

Age = 13.7 GyrUnivers plat

31

Univers homogène et isotrope jusqu’àla recombinaison et lacondensation des structures

Dernière surface de diffusion à t=380 000 ans

Anisotropies mesuréesdans le fond cosmologique

32

2dF et les modèles

m h = 0.2 est favoriséb/m = 0.15

Soit m = 0.25, = 0.75Peacock (2003)

Spectre de puissancedu 2dF-GRS

+meilleur fit du -CDM

33

SDSS et l'énergie noire

La comparaison des cartes du survey Sloan de galaxies avecles cartes WMAP ont permis de détecter des corrélations

L'interprétation est par l'effet ISW (Integrated Sachs-Wolfe)L'énergie des photons est modifiée par le champ de gravité

A la traversée d'un amas de galaxies (puits de potentiel) les photonsgagnent de l'énergie en tombant (bleuissent) puis rougissent en remontant

Si la traversée prend un certain temps (100 Myr), l'amas de galaxiesaura eu le temps d'une expansion non négligeable (terme d'énergienoire ), et son potentiel sera moins profond à la sortie: les photons ressortent plus bleus

34

Effet ISW (Integrated Sachs-Wolfe)

35

DécouvertesRécentes

Big-Bang

Recombinaison 3 105an

Age Sombre

1éres étoiles, QSO 0.5109an

Renaissance Cosmique

Fin de l'âge sombreFin de la reionisation 109an

Evolution des Galaxies

Système solaire 9 109an

Aujourd'hui 13.7 109an

2001 QSO z=6. absorption continue

2002-06 WMAPparamètres de l’universRéionisation

2004: HUDF (ACS)Télescope Hubble

2000-06: VLT2000-06 Chandra/XMMNAG & amas

36

Découverte de l’âge sombre de l'univers

Ligne de viséedevant un quasar

Spectre en absorption

Forêt Lyman-alpha

ou absorption continue totale

Djorgovski et al 01

37

Lentilles gravitationnelles

38

SNe Ia

39

Supernovae à grand redshift

40

Les paramètres de l'Univers

Anisotropies du fonds cosmique (WMAP) Univers plat

Observations des SN Ia

Lentilles gravitationnelles

=0.7M=0.3b=0.05

41

WMAP 5ème année

Vecteurs polarisationdu rayonnement

Renormalisation de 8

plus faible, spectre pas toutà fait invariant

42

Oscillations acoustiques

<TE> Temperature-polarisationangular cross power spectrum

Anticorrélation 50<l<150Élimine les défauts topologiquesConfortent les fluctuations adiabatiques

RéionisationMoins de es

z=17 WMAP1 z=11 WMAP3

43

Taille de l’Univers

Si l’univers est multi-connexeon devrait voir des « copies » dansle ciel

Pour un univers plat,Il existe 18 possibilités

Hypertore(parallélépipédique faces reliées 2 à 2)

Dodécaèdre de Poincaréidentification des faces par twist de 36°

Hypertore

Comment paver l’espace, courbure nulle

45

Problème quadrupole et octopole

A grande échelle, faible amplitude observée (quadrupole et octopole)

Un univers fini, qui imposeune taille maximale auxlongueurs d’onde autorisées:Univers dodécaédriquede PoincaréLuminet et al 2003

Pavage3 sphères par120 dodécaèdres

46

Contraintes WMAP

Recherche de régionscorrespondantes dansla carte de températurede l’univers

Aucune détection (6 cercles devraient correspondre)Donne une limite inférieure de la taille de l’Univers à24 Gpc Élimine le modèle dodécaédrique

47

Pic acoustique baryonique

Eisenstein et al 2005

Ondes détectées aujourd’huidans la distribution des baryons

50 000 galaxies SDSS

48

Schéma de formation des structures

Fluctuations primordialesfond cosmologique

Structures filamentairessimulations cosmologiques

Galaxies baryoniquesvues avec le HST

49

Formation des galaxies instabilité gravitationnelle

Dans un Univers en expansion, les structures ne collapsentpas de façon exponentielle, mais se développent de façon linéaire

Fluctuations de densité au départ / << 1 définition / =

Les structures se développent comme le rayon caractéristique ~ R(t) ~ (1 + z)

z décalage vers le rouge(1+z) ~ longueur d’onde des photons

1+z

10-5

R(t)

50

Pour les baryons, qui ne peuvent se développer qu'après la recombinaison à z ~1000 T ~ 2.76 (1+z) K

le facteur de croissance ne serait que de 103, insuffisant, si les fluctuations à cette époque sont de 10-5

Seule la matière noire non-baryonique(pas d’interaction avec les photons, seulement par la gravité)peut commencer de se développer avant la recombinaison,juste après l'équivalence matière-rayonnement

~ R-3 matière ~ R-4 photons

1+z

CDM ~1

baryons

E R10-5

51

104 z 103

NEUTRE

Rayonnement

Matière

IONISE

~ R-3 matière ~ R-4 photons Point d’Equivalence E

52

Fluctuations de densité

Tegmarket al 2004

53

Formation hiérarchique des galaxies

Les plus petites structures seforment en premier, de la taillede galaxies naines ou amas globulaires

Par fusion successive et accrétion les systèmes de plus en plus massifsse forment(Lacey & Cole, 93, 94)

Ils sont de moins en moins denses

M R2 et 1/R

54

55

Matière noire CDM

Gaz

GalaxiesSimulations(Kauffmann et al)

56

4 « phases »

4 Zoom levels

from 20 to 2.5 Mpc.

z = 3. (from. z=10.)

57

Multi-zoom Technique

Objective:

Evolution of a galaxy (0.1 to 10 kpc)

Accretion of gas (10 Mpc)

58

Galaxies and Filaments

Multi-zoom(Semelin & Combes 2003)

59

Hypothèses pour la CDM

Particules qui au découplage ne sont plus relativistesParticules WIMPS (weakly interactive massive particles)

Neutralinos: particule supersymmétrique la plus légère LSPRelique du Big-Bang, devrait se désintégrer en gamma(40 Gev- 5Tev)

Peut-être particules plus légères, ou avec plus d’intéractionnon-gravitationnelles? (Boehm et al 04, 500kev INTEGRAL)

Actions (solution to the strong-CP problem, 10-4 ev)Trous noirs primordiaux?

60

Hypothèses pour les baryons noirs

Baryons en objets compacts (naines brunes, naines blanches,trous noirs) sont soit éliminés par les expériences de micro-lensingou souffrent de problèmes majeurs(Alcock et al 2001, Lasserre et al 2000)

Meilleure hypothèse, c’est du gaz, Soit du gaz chaud dans le milieu intergalactique et inter-amasSoit du gaz froid au voisinage des galaxies(Pfenniger & Combes 94)

61

Matière noire dans les amas de galaxies

Dans les amas, le gaz chaud domine la masse visibleLa plupart des baryons sont devenus visibles!

fb = b / m ~ 0.15

La distribution radiale dark/visible est renverséeLa masse devient de plus en plus visible avec le rayon

(David et al 95, Ettori & Fabian 99, Sadat & Blanchard 01)

La fraction de masse de gaz varie de 10 à 25% selon les amas

La masse noire est au centre, et non à l'extérieur, ce qui infirme les modèles a gravité modifiée MOND

62

Distribution de la fraction de gaz chaud fg dans les amasL’abscisse est la densité moyenne au rayon r, normaliséeà la densité critique (Sadat & Blanchard 2001)

63

Energie noire, quintessence

Energie quantique du vide?:Prédictions 120 ordres de grandeur de plus à l’échelle de Planck56 ordres de grandeur à l’échelle EW (Electro-weak)Ne domine que très récemment (principe anthropique?)P= w E w ~ -1 w =w0 +w1 z

Constante cosmologique = /8G = constanteou bien (t) densité dépendant du temps? 5ème élément ou "Quintessence"Les 4 autres sont:Photons, Neutrinos (Leptons),Baryons, CDM

Serait-il possible que le 4ème (inconnu) et le 5ème, l'énergie noiresoient la même chose?

Gas de Chaplygin Quartessence

64

Premières structures de gaz

Après recombinaison, GMC de 105-6Mo collapse et fragmentent Jusqu’à 10-3 Mo, H2 cooling efficace

L’essentiel du gaz ne forme pas d’étoilesMais une structure fractale, en équilibre avec TCMB

Après les premières étoiles, ré-ionisation

Le gaz froid survit pour être assemblé dans les filaments à grandeÉchelle, puis les galaxies

Façon de résoudre la « catastrophe de refroidissement »

Régule la consommation du gaz en étoiles

65

Abel et al 2000

Top: log sur-densitécoupe dans le picprincipal320pc, 32pc

+ vitesses

Bottom: log température

Moins de 1% du gazforme des étoiles

66

Réionisation

Percolation progressive des zones ionisées

67

Problèmes dans la formation des galaxies (paradigme -CDM)

Prédiction de "cuspides" au centre des galaxies, en particulier absentes dans les naines Irr, dominées par la matière noire

Faible moment angulaire des baryons, et en conséquence formation de disques de galaxies 10 fois trop petits

Prédiction d’un grand nombre de petits halos (400 autour de la Voie Lactée), non observés

La solution à ces problèmes viendrait-elle du manque de réalisme des processus physiques (SF, feedback?), du manquede résolution des simulations, ou de la nature de la matière noire?

68

Prédictions CDM: « cusp » ou « core »

Loi de puissance de la densité ~1-1.5, observations ~0

69

Moment angulaire et formation des disques

Les baryons perdent leur moment angulaire au profit de la CDM

Paradigme: baryons initialement même AM spécifique que DMLe gaz est chaud, chauffé par les chocs à la température Viriel du halo

Une autre façon d’assembler la masse est l’accrétion de gaz froid

Le gaz est canalisé le long des filaments, modérément chauffé par des chocs faibles, et rayonne rapidement

L’accrétion n’est pas sphérique, le gaz garde son moment angulaireGaz en rotation autour des galaxies, plus facile de former des disques

70

Trop de petites structures

Aujourd’hui, les simulationsCDM prédisent 100 foistrop de petits halos autour desgalaxies comme la Voie Lactée

71

Autres solutions pour lescourbes de rotation des galaxies

La matière noire peut résoudre le problème,

mais aussi…..

Une modification de la loi de Newton

72

MOND: MOdified Newtonian Dynamics

Loi de la gravité modifiée, ou loi de l’inertie (Milgrom 1983)

En-dessous de la valeur de l’accélération a0~ 2 10-10 m/s-2

gM = (a0 gN)1/2

Potentiel logarithmique

Loi de Tully-Fisher M ~V4

gM2 ~V4/R2 ~ GM/R2

73

Courbes de rotation multiples..

Sanders & Verheijen 1998, tous types, toutes masses

74

Problèmes de MOND dans les amas

Selon la physique des baryons, du gaz froid pourrait se trouver au centre des amas (flots de refroidissement)D’autre part, les neutrinos pourrait représenter 2x plus de masse que lesbaryons

75

L’amas du boulet Gaz X

Masse totalePreuve de l’existence de matière Non-baryonique?

Explicable avec MOND + neutrinos (% habituel, Angus et al 2006)

76

Abell 520z=0.201

Mahdavi et al 2007

Rouge= gaz XContours= lensingCœurs de matièrenoire coincident avec XMais pas avec galaxies

Cas opposé!

77

Amas en collision Abell 520

Contours=masse totale Contours = gaz X

Comment les galaxies sont-elles éjectées des pics CDM??

78

CL 0024+17Jee et al 2007

Contours=lensing

Contours= gaz X

79

Anneau de CDM, CL0024+17

80

Accrétion de gaz froid par les galaxiesScénario conventionel: chauffage par chocs à Température Viriel(106 K pour une galaxie comme la Voie Lactée)Les simulations avec résolution voient 2 modes d'accrétion

Gaz froid le long des filaments, la fraction de gaz froid étant plusGrande dans les petits halos (MCDM < 3 1011 Mo)

Keres et al2005

81

Gas froid des filamentsDensité du gaz froid

Température

Dekel & Birnboim (2006)

Arrêt de la formation d'étoiles? Origine de,la bimodalité?

82

Feedback dû aux Starbursts ou AGN

Di Matteo et al 2005

83

Amas de Persée

Salomé et al 2006

Fabian et al 2003

84

ConclusionParamètres de l’Univers: m=0.27, dont15% baryons, 85% ??

Le modèle de matière noire CDM, avec = 0.73 est celui quicorrespond le mieux aux observations, surtout pour les grandes structures

Encore des problèmes non résolus:

CDM devrait dominer au centre des galaxies avec une cuspideProblème du moment angulaire des baryons, perdu au profit de la CDM, et formation des disquesPrédiction d’une multitude de petits halos, non observés

La physique des baryons pourrait résoudre une partie des problèmeset notamment l’accrétion de gaz froid

Ou bien modifications de la gravité