Les Collisions de Galaxies Frédéric Bournaud Observatoire de Paris / L ERMA.

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Les Collisions de Galaxies Frédéric Bournaud Observatoire de Paris / LERMA

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Les Collisions de Galaxies

Frédéric BournaudObservatoire de Paris / LERMA

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Des évènements fréquents

• Collisions mineures :

Une galaxie + 1 naine < 10%

- Tous les 2-3 Gyr dans le champ

- Continu dans les groupes

ex : M-W + GMC

• Collisions majeures :

Galaxies de masses similaires

- Exceptionnel dans le champ

- Tous les 1-3 Gyr dans les groupes pauvres

- Quasi-continu dans les groupes compact

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Des collisions aux fusionsNe se produit pas :

- Collisions ente étoiles (quelques unes pour 2.1011 étoiles)- Relaxation à deux corps

très peu de « croisements » gravitationnels d’étoiles

T2C > 10 Gyr

Se produit : Friction dynamique

- entre les disques stellaires (qqs 10 kpc)- avec les halos de matière noire (qqs 100 kpc)

Freinage relatif des deux galaxies Fusion

Sauf si vitesse > 500 km/s : collision sans fusion(cas des amas ; rare en dehors)

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Fusion et relaxation

FREINAGE

CHAUFFAGE

Conséquences :

1- L’energie cinétique (mouvement relatif) dissipée par friction énergie interne (chauffage du gaz d’etoiles) dispersion de vitesse augmentée

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Fusion et relaxation

Départ : 2 galaxies spirales , entrent en collision => fusion par friction

Tfusion = T fric dyn = 50 – 300 Myr

T dynamique = T orbital = 100 – 600 Myr

=> La fusion est rapide, accompagnée d’une relaxation violente

Conséquences : 1- L’energie cinétique (mouvement relatif) dissipée par friction

énergie interne (chauffage du gaz d’etoiles) dispersion de vitesse augmentée

2- Résidu plus concentré que les disques spiraux

profil de Sersic (r) = o exp[ -b (r/re)1/n ] n augmente

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Collision entre deux spirales de même masse :

E dissipée par friction (et chauffage résultant)

≥ E initiale (de rotation) des disques

=> Système final V/ < 1

300km/s

150km/s

Des spirales aux elliptiques

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Formation d’une galaxie elliptique :

Chauffage => Système final V/ < 1

et destruction des disques en rotation

Relaxation => Profil final n = 3 – 5

Similaire aux galaxies Elliptiques observées

Des spirales aux elliptiques

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Des spirales aux elliptiques

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Des spirales aux elliptiques

Séquence de Toomre

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Fusions majeures et mineures

Echelle de rapport de masse

1:10 1:3 1:1

Minor Mergers

Spirale + Naine

=> Spirale perturbée:

Épaississement, chauffage, alimentation du bulbe… FAIBLES

=> SPIRALE EARLY-TYPE

Major Mergers

Spirale + Spirale

=> Chauffage/Relaxation

=> ELLIPTIQUE

1:100

Cas intermédiaires

Formation de galaxies S0 lenticulaires

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Fusions successives

Fusions 8:1 successives

Relaxation et chauffage progressifs :

Sb -> S0 (2 fusions) -> Elliptiques (4 fusions)

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Elliptiques et populations stellaires

• Pas de « mélange total » des populations stellaires • Gradients de métallicité radiaux

ou azimuthaux (fusions majeures uniques)

magnitude metallicité

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Effets de marée & réponse du gaz

Réponse du gaz au champ de marée :

- contrôlée par la position du compagnon

- dépend de la position des résonances (dont corotation)

Galaxiecompagnon

Disque spiral

Corotation

? comp

? comp

?

r

V a l l é e d e “p o t e n t i e l”

Gaz

Choc arrière

Choc avant

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Effets de marée & réponse du gaz

Couples positifs/négatifs selon le rayon.

=> Outflow à l’extérieur de la corotation (s’ajoute au champ de marée)

=> Inflow dans les régions internes

Galaxiecompagnon

Disque spiral

? comp

V a l l é e d e “p o t e n t i e l”

Gaz

Choc arrière

Choc avant

Couple +

Couple –

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Effets de marée & réponse du gaz

Outflow à l’extérieur de la corotation : queues de marée

Inflow dans les régions internes : flambée de formation stellaire

Galaxiecompagnon

Disque spiral

Ωcomp

Inflow

Outflow

maréemarée

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Queues de marée

Tadpole Galaxy( HST)

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Naines de marée

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Naines de marée

Accumulations de matière:

– riches en gaz et massives (109MO)

– dans les parties externes des queues– formant des étoiles

=> Galaxies naines en formation ?

Arp 105 (Duc et al. 1994) NGC 7252 (Hibbard et al. 1996)

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Des « mergers » aux « Starbursts »

Couples de gravité => Infall de gaz

(surtout rencontres lentes et dans le plan)

Densité croissante, chocs, ….

Starburst - observé

- théorique qq soit les facteurs de SFR:

densité (Schmidt)

seuil

dispersion

chocs …

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Galaxiecompagnon

Disque spiral

Corotation

Ωcomp

Ωcomp

Ω

r

Des « mergers » aux « Starbursts »

Limitation : Le gaz mobilisé est dans la corotation

Cas idéal = corotation à grand rayon

=> Nécessite un compagnon lent (Ω)

=> Existence de résonances internes

=> L’infall de gaz est stoppé

Le gaz n’est pas concentré au-delà des 1-3 kpc centraux

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Des « mergers » aux « Starbursts »

Limitation : Le gaz n’est pas concentré au-delà des 1-3 kpc centraux

=> limite la densité, les chocs, la contagion …

=> starburst modéré

SFR max ~ 5 Mo/yr sur les collisions favorables

2eme starburst ?

Fin de fusion : les cœurs des deux galaxies sont proches

Ω plus élevé => reprise de l’infall jusqu’au centre

Mais : ne mobilise que le gaz du kpc central

=> pas de starburst plus fort

Au mieux : à grand z (peu de bulbe), avec des disques riches en gaz,

SFR peut atteindre ~ 15 Mo/yr

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Des « mergers » aux « Starbursts »

0

2

4

6

SFR (Mo/yr)

T (Myr)

200 4000

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Des « mergers » aux « Starbursts »Comment expliquer les ULIRGs?

Souvent ULIRGs associées aux collisions/fusions…

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Des « mergers » aux « Starbursts »Comment expliquer les ULIRGs?

Souvent ULIRGs associées aux mergers…

Mais pourquoi ces mergers produisent-ils ~100 Mo/yr d’étoiles ?

Loi de Schmidt vs. chocs/contagion => ne résout pas le problème

Seul modèle l’expliquant :

Collisions de galaxies

- à faible densité centrale

- de type très tardif (sans bulbe)

- très stables (pas de barre à z~1)

irréaliste (ou exceptionnel)

Pas de réponse satisfaisante actuellement:

Facteurs déclanchant la formation stellaires mal compris

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Phénomènes nucléaires

Formation stellaire centrale

=> Cœurs / disques nucléaires froids et découplés

=> mécanismes d’accrétion centrale

noyau actif possible

+ effets de la fusion de trous noirs centraux.

(Mayer et al. 2006)

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Les collisions de plein fouet

• Peuvent être sans fusion (V > 500 km/s)• Anneaux collisionnels

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Les collisions de plein fouet

• Peuvent être sans fusion (V > 500 km/s)• Anneaux collisionnels• Effets de « splash » pour le gaz

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Formation d’anneaux 1- Collisionnels

(Appleton & Struck 1996)

Passage rapide du compagnon au centre du disque Impulsion radiale oscilations radiales

en phase à t=0de période croissante avec r

Anneaux = ondes en expansionTransitoires (sans autogravité)

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Formation d’anneaux 1- Collisionnels

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Formation d’anneaux 2- Dissipatifs

Rencontres de mouvements radiaux vers l’extérieur (anneaux collisionnels)et vers l’intérieur (retombée diffuse)

+ dissipation => anneau fixe, self-gravitant, durable ; parfois polaire

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Formation d’anneaux 2- Dissipatifs

Rencontres de mouvements radiaux vers l’extérieur (anneaux collisionnels)et vers l’intérieur (retombée diffuse)

+ dissipation => anneau fixe, self-gravitant, durable ; parfois polaire

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Formation d’anneaux 3- Résonants

Plusieurs anneaux, à des rayons non quelconques

Anneaux résonants

Ce ne sont pas des collisions de galaxies :

- Les résonances varient trop vite dans les collisions

- Variations tendent plutôt à détruire ces anneaux

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Formation d’anneaux 4- De maréeCapture de queues de marée

Collision avec ou sans fusion

Anneaux de gaz et d’étoiles jeunes.

Objet de Hoag

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ConclusionsCollision => fusion (pas systématique)

friction dynamique et chauffage + relaxation

=> évolution vers les elliptiques (en une ou plusieurs fusions)

Marée et couples induits : Queues de marée

Flambée de formation stellaire

Matière transférée / arrachée aux galaxies :

Naines de marée, effets de splash, anneaux.

Question principale : quel rôle dans la formation stellaire?