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