Les Galaxies

Les GalaxiesLes Galaxies

Connaître le système de classificationConnaître le système de classification Connaître et décrire les différents Connaître et décrire les différents

types de galaxiestypes de galaxies Définir la classe des galaxies activesDéfinir la classe des galaxies actives Décrire les propriétés des quasars et Décrire les propriétés des quasars et

des trous noirsdes trous noirs

Les GalaxiesLes Galaxies

Œil nu mag.: 6Œil nu mag.: 6 petit télescope mag.: petit télescope mag.:

15 étoiles/galaxies 15 étoiles/galaxies 100:1100:1

Palomar Schmidt Palomar Schmidt étoiles/galaxies 1:1étoiles/galaxies 1:1

CFHTCFHT

galaxies/étoiles 100:1galaxies/étoiles 100:1

quasars/étoiles 10:1quasars/étoiles 10:1 HST/KeckHST/Keck

amas glob/étoiles 1:1amas glob/étoiles 1:1PalomarSchmidt

CFHT HSTKeck

Le débat Shapley-CurtisLe débat Shapley-Curtis galaxies

Avant 1920, nébuleusesAvant 1920, nébuleuses

nébuleusesnébuleuses

gazeusesgazeuses

Vers 1920, plusieurs astronomes suggèrent que Vers 1920, plusieurs astronomes suggèrent que les spirales sont des galaxies extérieures les spirales sont des galaxies extérieures semblables à la Voie Lactée (Curtis) alors que semblables à la Voie Lactée (Curtis) alors que d’autres maintiennent qu’il s’agit de systèmes d’autres maintiennent qu’il s’agit de systèmes (stellaires ou gazeux) à l’intérieur de la Voie (stellaires ou gazeux) à l’intérieur de la Voie Lactée (Shapley)Lactée (Shapley)

Le débat Shapley-CurtisLe débat Shapley-Curtis

Un débat est organisé par l’Académie des Sciences de Washington

3 questions débattues:1. Quelles sont les distances aux spirales ?

étoiles2. Est-ce que les spirales sont composées

ou gaz3. Pourquoi pas de spirales dans le plan de la

Voie Lactée ?

Le débat Le débat ShapleyShapley--CurtisCurtis1)1) Distances des nébuleuses spirales:Distances des nébuleuses spirales:

arguments pour une petite distancearguments pour une petite distancea)a) Mesures de von Maanen dans M101 des Mesures de von Maanen dans M101 des

mouvements propres de rotation (0.02’’/année)mouvements propres de rotation (0.02’’/année)b)b) Brillance de S Andromedae dans M31 comparée Brillance de S Andromedae dans M31 comparée

à la Nova Perseià la Nova Persei

arguments pour une grande distancearguments pour une grande distancea)a) Les mesures de mouvements propres peuvent Les mesures de mouvements propres peuvent

être en erreurêtre en erreurb)b) Brillances d’autres novae dans M31 comparées Brillances d’autres novae dans M31 comparées

aux novae galactiques (novae vs supernovae)aux novae galactiques (novae vs supernovae)

Le débat Le débat ShapleyShapley--CurtisCurtis

2)2) Est-ce que les spirales sont composées Est-ce que les spirales sont composées d’étoiles ou de gaz ?d’étoiles ou de gaz ?

arguments contre l’interprétation arguments contre l’interprétation stellairestellaire

a)a) La Voie Lactée dans l’environnement du La Voie Lactée dans l’environnement du Soleil a une brillance beaucoup plus faible Soleil a une brillance beaucoup plus faible que les parties centrales des spiralesque les parties centrales des spirales

b)b) Les régions extérieures des spirales sont Les régions extérieures des spirales sont plus bleues que les régions centralesplus bleues que les régions centrales

(Soleil pas au centre ???)(Soleil pas au centre ???)

Le débat Le débat ShapleyShapley--CurtisCurtis1)1) Pourquoi pas de spirales dans le plan de la Voie Pourquoi pas de spirales dans le plan de la Voie

Lactée (Lactée (zone of avoidancezone of avoidance):):arguments contre les spirales extérieuresarguments contre les spirales extérieures

a)a) Absence suggère influence, comme les larges vitesses Absence suggère influence, comme les larges vitesses de récession de récession

b)b) Les deux pourraient être expliqués en supposant une Les deux pourraient être expliqués en supposant une nouvelle force de répulsion !nouvelle force de répulsion !

arguments pour les spirales extérieuresarguments pour les spirales extérieuresa)a) Plusieurs spirales vues Plusieurs spirales vues edge-on edge-on ont une ceinture centrale ont une ceinture centrale

de poussièrede poussièreb)b) SiSi la Voie Lactée a une telle ceinture, la Voie Lactée a une telle ceinture, sisi le Soleil est au le Soleil est au

milieu d’une telle ceinture, et milieu d’une telle ceinture, et sisi les spirales sont les spirales sont extérieures à la Voie Lactée zone of avoidanceextérieures à la Voie Lactée zone of avoidance

c)c) Pas d’explication pour les vitesses de récessionPas d’explication pour les vitesses de récession

Le débat Le débat ShapleyShapley--CurtisCurtis

Shapley sort gagnant !Shapley sort gagnant ! Résolution de la controverse (1923 - Résolution de la controverse (1923 -

Hubble)Hubble) résout les régions extérieures de M31 en *résout les régions extérieures de M31 en * identifie les * variablesidentifie les * variables mesure la magnitude apparente des céphéidesmesure la magnitude apparente des céphéides

++ relation période-luminositérelation période-luminosité déduit une distance nettement hors de la Voie Lactéedéduit une distance nettement hors de la Voie Lactée

Hubble Hubble – – 00 = 22.1 = 22.1 = 275 kpc = 275 kpc

aujourd’hui aujourd’hui – – 00 = 24.5 = 24.5 = 660 kpc = 660 kpc

Classification des Classification des galaxiesgalaxies

SYSTÈME DE HUBBLESYSTÈME DE HUBBLE Critères:Critères:

1.1. Importance du bulbe p/r au disqueImportance du bulbe p/r au disque

2.2. Nature des bras spirauxNature des bras spiraux

étoilesétoiles

3.3. Degré de résolutionDegré de résolution

régions régions HIIHII1) Lié à la distribution du moment angulaire (formation)

2) Lié au taux de conversion gaz -> étoiles (distance)

Système de Hubble Système de Hubble (1936)(1936)

4 classes:4 classes:1.1. Elliptiques (E)Elliptiques (E)

2.2. Lenticulaires Lenticulaires (S0)(S0)

3.3. Spirales (Sp)Spirales (Sp)

4.4. Irrégulières (Irr)Irrégulières (Irr)

2 familles (Sp)familles (Sp)1.1. Normales (A)Normales (A)

2.2. Barrées (B)Barrées (B)

3 types (Sp)3 types (Sp)1.1. a (early/premier)a (early/premier)

2.2. b (intermédiaire)b (intermédiaire)

3.3. c (late/dernier))c (late/dernier))


Ei

ElliptiquesElliptiques

a = axe majeur

b = axe mineur

Elliptiques (E)Elliptiques (E)

E0E0

M89M89


E1E1

M87M87


E2E2

M32M32


E5E5

M59M59


E5E5

NGC NGC 205205


Lenticulaires S0 ressemble beaucoup à E5 -> E7 Une vue par la tranche montre la trace

d’un disque mais sans bras spiraux Souvent nécessaire de faire une

analyse détaillée de la distribution de lumière pour distinguer entre une E et une S0

LenticulaireLenticulairess

SB0

NGC 2859

M102

S0


Spirales: Sa -> Sm (SBa -> SBm)

1. Le bulbe devient de moins en moins important

2. Les bras spiraux sont plus ouverts 3. (moins enroulés)4. Les bras spiraux sont plus résolus en

régions HII5. Les bras spiraux ont tendance à se

fragmenter

Spirales - Spirales - SaSa

M64

Spirales - Spirales - SbSb

M88

M81NGC 4565

Spirales – Spirales – ScSc

M101

NGC 891

M 83

NGC 4414

Spirales – Spirales – SdSd

NGC 7793

IC 5249

Spirales - Spirales - SmSm

NGC 3109


Irrégulières

apparence due à la présence de quelques régions HII très brillantes

disque sous-jacent (Pop. I vieille) beaucoup plus régulier

Irrégulières - Irrégulières - ImIm IC 5152

GR 8

Spirales – Spirales – SBaSBa

NGC 4650

NGC 1433

Spirales – Spirales – SBbSBb

NGC 1530

Spirales – SBcSpirales – SBc

M 106

Spirales – Spirales – SBdSBd

NGC 4631

LMC (Sm) – SMC (Im)LMC (Sm) – SMC (Im)

LMC SMC

Naines Naines SphéroïdalesSphéroïdales

Leo II

Carina

Pec. – Centaurus APec. – Centaurus A

Pec. – M82 (NGC Pec. – M82 (NGC 3034)3034)

M 81 M 82

Pec. – NGC 3718Pec. – NGC 3718

Pec. – NGC 2146Pec. – NGC 2146

Pec. – NGC 4038-9 – The Pec. – NGC 4038-9 – The AntennaeAntennae

Pec. – Ring Pec. – Ring GalaxiesGalaxies

Pec. – CartwheelPec. – Cartwheel

Pec.Pec.Polar Ring Polar Ring GalaxiesGalaxies

Classification de de Vaucouleurs (1959)

1. sous-classes 0/a a ab b bc c Irr

2. sous division de c c cd d dm m Im

Classes = SOa Sa Sab Sb Sbc Sc Scd Sd Sdm Sm Irr

T = 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Classes

= Elliptique

normale

Elliptique

géante

S0 S0 S0

T = -5 -4 -3 -2 -1

Propriétés Globales Propriétés Globales Galaxies normalesGalaxies normales

Un catalogue jusqu’à une certaine magnitude apparente est dominé par les spirales de premiers types

… mais les galaxies de derniers types dominent

Voie LactéeAndromède

Sbc


Les couleurs Les couleurs mesurent la mesurent la proportion de proportion de chacune des chacune des populations populations stellairesstellaires dans la dans la GalaxieGalaxie

elliptiques rouges spirales bleues

bulbe disque

vieillesPop II

jeunesPop I


elliptiquespas de gaz

S0 -> Sbpeu de gaz

Sc Irrde plus en plus de gaz

Caractéristiques des Caractéristiques des galaxiesgalaxies

Elliptiques Spirales Irrégulières

Composition

Population II* rouges

Tf >> 109 a.

pas de gaz

Bulbe Disque * et Gaz

Pop. I jeune*bleues

Tf < 109 a.

Mgaz/M* > 10%

Population II* rouges

Tf >> 109 a.

pas de gaz

Pop. I vieille* rouges

Tf > 109 a.

Mgaz/M*

= 1-10%

Pop. I jeune* bleues

Tf < 109 a.

Mgaz/M*

= 1-10%

Dimension (kpc) 1 – 150+ 5 - 50 1 - 10

Luminosité (Lsol) 106 - 1011 108 - 1010 106 - 109

Distribution de massesDistribution de masses

Plus une galaxie est Plus une galaxie est massive, plus elle tourne massive, plus elle tourne rapidementrapidement

spirale massive: 200-300 km/s Saspirale massive: 200-300 km/s Sa

spirale peu massive: 50-100 km/s Smspirale peu massive: 50-100 km/s Sm

ClassificationClassification: pas : pas seulement une séquence de seulement une séquence de luminositéluminosité mais aussi une mais aussi une séquence de séquence de massemasse

Distribution de lumièreDistribution de lumière On a vu dans la Voie Lactée que On a vu dans la Voie Lactée que

les populations stellaires n’étaient les populations stellaires n’étaient pas distribuées de la même façonpas distribuées de la même façon

On doit s’attendre que dans des On doit s’attendre que dans des galaxies ayant des proportions galaxies ayant des proportions différentes des populations différentes des populations stellaires, la lumière soit distribuée stellaires, la lumière soit distribuée différemment différemment

Distribution de lumièreDistribution de lumière La distribution actuelle doit garder La distribution actuelle doit garder

des traces des conditions initiales des traces des conditions initiales au moment de la formationau moment de la formation

Les conditions initiales qui ont Les conditions initiales qui ont donné une donné une elliptiqueelliptique doivent doivent sûrement être différentes de celles sûrement être différentes de celles qui ont produit une qui ont produit une spiralespirale ou une ou une irrégulièreirrégulière

Distribution de lumièreDistribution de lumière Elliptiques: Elliptiques:

composées composées uniquement d’étoiles uniquement d’étoiles de Pop IIde Pop II

Lumière diminue Lumière diminue comme rcomme r1/4 1/4

la brillance de la brillance de surface est très surface est très concentrée au centreconcentrée au centre

Distribution de lumièreDistribution de lumière

Spirales: Spirales: bulbe * Pop II & bulbe * Pop II & disque * Pop Idisque * Pop I

Lumière du disque Lumière du disque diminue diminue exponentiellementexponentiellement

= = 00 + 1.1 + 1.1rr 1/1/ = échelle de = échelle de

longueur = longueur = distance diminue distance diminue de 1 magde 1 mag.


Irrégulières: Irrégulières: disque de Pop IIdisque de Pop II

Apparence Apparence irrégulière due aux irrégulière due aux régions HII & * régions HII & * jeunesjeunes

* Pop I vieilles * Pop I vieilles distribuées plus distribuées plus régulièrementrégulièrement


Séquence de spirales a Séquence de spirales a -> -> mm Séquence de proportions de plus en Séquence de proportions de plus en

plus petites bulbe/disqueplus petites bulbe/disque

Distribution de vitessesDistribution de vitesses

Si les étoiles étaient immobiles elles s’effondreraient toutes vers le centre des galaxies

Ce sont les vitesses de déplacement (rotation - spirales & dispersion des vitesses - elliptiques) qui contrebalancent les forces gravitationnelles

Distribution de vitessesDistribution de vitesses SpiralesSpirales: :

forces centrifuges de rotation vers forces centrifuges de rotation vers l’extérieur force de gravité l’extérieur force de gravité vers l’intérieurvers l’intérieur

33ièiè loi de Képler: loi de Képler:


P = 2r/v

Voie LactéeVoie Lactée

Rr = 9 kpcv = 230 km/s


Plus une galaxie est Plus une galaxie est massive, plus elle tourne massive, plus elle tourne rapidementrapidement

spirale massive: 200-300 km/s Saspirale massive: 200-300 km/s Sa

spirale peu massive: 50-100 km/s Smspirale peu massive: 50-100 km/s Sm

ClassificationClassification: pas : pas seulement une séquence de seulement une séquence de luminositéluminosité mais aussi une mais aussi une séquence de séquence de massemasse

Distribution de vitessesDistribution de vitesses Elliptiques: Elliptiques:

vitesses de rotation faibles vitesses de rotation faibles (sphérique)(sphérique)

Dispersion des vitesses gravité Dispersion des vitesses gravité

= 100 km/sR = 100 kpc

Mgal = 2 x 1012 Msol

Galaxies ActivesGalaxies Actives

AGN (Active Galactic AGN (Active Galactic Nuclei)Nuclei)

Galaxies SeyfertGalaxies Seyfert Radio GalaxiesRadio Galaxies QuasarsQuasars

Galaxies ActivesGalaxies Actives2iè guerre mondiale

développement des radars

application des techniques radar

en astronomie

1943: découverte de galaxies avec des raies d’émission larges par Carl SeyfertGalaxies de Seyfert

1946: découverte d’une radio source ponctuelle Cygnus A

1948: beaucoup d’autres sources sont détectées


développement des techniques de radio

interférométrie

Sydney CambridgeAustralie UK

1949: positions 1949: positions ~~ 10’ 10’ montrent que les radio montrent que les radio sources sont associées sources sont associées à des galaxiesà des galaxiesVirgo A=M87 (15 Mpc)Virgo A=M87 (15 Mpc)Cen A=N5128 (5 Mpc)Cen A=N5128 (5 Mpc)

1950: Alfven & 1950: Alfven & Herlofsen suggèrent Herlofsen suggèrent que la radiation des que la radiation des radio sources est le radio sources est le processus synchrotronprocessus synchrotron


11erer lien lien interférométriqueinterférométrique

1951: Graham Smith 1951: Graham Smith position de Cygnus A position de Cygnus A ~ ~ 11’’

Baade & Minkowski Baade & Minkowski identifie Cygnus A avec identifie Cygnus A avec une galaxie particulière une galaxie particulière Z= 0.06 (Z= 0.06 (~~ 250 Mpc) 250 Mpc)

Cyg A Cyg A >> 10 1066 VL en radio VL en radio

Radio GalaxiesRadio Galaxies 1953: Cygnus A 2 lobes 1953: Cygnus A 2 lobes

= 2’ = 2’


développement desdéveloppement des

ordinateursordinateurs

1960: période de 1960: période de consolidation – consolidation – catalogue 3Ccatalogue 3C

étendues – 2 lobesétendues – 2 lobes

2 types de sources2 types de sources

discrètes discrètes << 1’’ 1’’

1960: 3C48 identifié 1960: 3C48 identifié à un objet à un objet d’apparence stellaire d’apparence stellaire spectre spectre indéchiffrable ??indéchiffrable ??


ouverture de ouverture de synthèsesynthèse

développement en développement en électroniqueélectronique

radio astronomie se radio astronomie se déplace vers les déplace vers les

hautes fréquenceshautes fréquences

1963: 3c273 1963: 3c273 ->-> étoile étoile radio ! spectre inexpliqué radio ! spectre inexpliqué si z=0.158si z=0.158

QuasarsQuasars

(quasi-stellar radio source)(quasi-stellar radio source)

1963: quasars ne semblent 1963: quasars ne semblent pas obéir à la loi de Hubblepas obéir à la loi de Hubble

cosmologiquecosmologique

RedshiftRedshift

gravitationnelgravitationnel

Galaxies ActivesGalaxies Actives 1965: on trouve des 1965: on trouve des

sources radio qui varie sources radio qui varie sur sur t t ~~ année ? année ?

1965: Sandage trouve 1965: Sandage trouve des quasars non-radiodes quasars non-radio

QSOQSO 1968: nouveau type de 1968: nouveau type de

sources sources t t ~~ques joursques jours BL LacBL Lac

plus énergétiques que plus énergétiques que les quasars et les les quasars et les radio galaxiesradio galaxies

objet émettant autant objet émettant autant d’énergie radio que d’énergie radio que plusieurs millions de plusieurs millions de Voie Lactée mais dont Voie Lactée mais dont la région d’émission a la région d’émission a une dimension de une dimension de seulement quelques seulement quelques jours-lumière jours-lumière ((~~système solaire) !système solaire) !

Galaxies SeyfertGalaxies Seyfert Galaxies spirales avec un noyau très brillants

quelques 100 km/sec raies d’émission larges

quelques 1000 km/secgaz éjecté du noyau à de très grandes vitesses

NGC 1566 M 77 NGC 7742

Galaxies SeyfertGalaxies Seyfertspectre du noyau d’une galaxie normalespectre du noyau d’une galaxie normale

raies d’absorption d’origine stellaireraies d’absorption d’origine stellaire

noyau plus lumineux que le reste de la galaxienoyau plus lumineux que le reste de la galaxie

variabilité variabilité T T ~~ qques mois qques mois << 1 année-lumière 1 année-lumière

une région plus petite que la séparation moyenne une région plus petite que la séparation moyenne entre 2 * dans une galaxie spirale entre 2 * dans une galaxie spirale

émet plus de lumière que 10émet plus de lumière que 1099-10-101010 * ! * !

Galaxies SeyfertGalaxies Seyfert

Radio GalaxiesRadio Galaxies

Galaxies elliptiques émettant en Galaxies elliptiques émettant en radio plus de 100X l’émission radio radio plus de 100X l’émission radio de la Voie Lactée & 10de la Voie Lactée & 1066X plus X plus qu’en optiquequ’en optique

structure à 2 lobes (Cygnus A)structure à 2 lobes (Cygnus A) 2 types2 types

structure cœur-halo structure cœur-halo t t ~~ années années

Cygnus ACygnus A

Jets & coeurJets & coeur

Centaurus ACentaurus A

Double lobesDouble lobes

Images optiquesImages optiques

M 87M 87

M 87M 87 Galaxie elliptique au centre de Galaxie elliptique au centre de

l’amas de la Viergel’amas de la Vierge Jet de matière s’échappe du noyau Jet de matière s’échappe du noyau

plusieurs nœuds suggèrent plusieurs plusieurs nœuds suggèrent plusieurs événements explosifs et violentsévénements explosifs et violents

Masse (M87) = 100X masse Voie Masse (M87) = 100X masse Voie LactéeLactée

Observations suggèrent la présence Observations suggèrent la présence d’un trou noir massif au centred’un trou noir massif au centre

M87M87

Galaxie elliptique au centre de l’amas de la Vierge

Jet de matière s’échappe du noyau - plusieurs nœuds suggèrent plusieurs événements explosifs et violents

Masse (M87) = 100X masse Voie Lactée

Observations suggèrent la présence d’un trou noir massif au centre

QuasarsQuasars Propriétés des quasars

ressemblent aux radio galaxies puissantes

Optique; objet bleu, non-résolu, très lumineux (-23<MB<-30) [ Voie Lactée MB = -21]

Spectre optique montre des raies d’émission larges (Seyfert)

QuasarsQuasars Quasars proches,

on distingue un fuzz

suggère que les quasars sont dans des galaxiesQSO & Quasars

optique radio(même type d’objets)

QuasarsQuasars

Spectre avec raies d’émission UV (L) très fortes – à cause de la très grande distance sont décalées dans le visible

Redshift z=1 v=0.6c = 3-10 103 al

Redshift z=4.3 v=0.92c = 1.4x1010 al

QuasarsQuasars

Redshift z=4.3: on observe le Redshift z=4.3: on observe le quasar tel qu’il était alors que quasar tel qu’il était alors que l’Univers n’avait que 8% de son l’Univers n’avait que 8% de son âge actuel (1 milliard d’années)âge actuel (1 milliard d’années)

Observation des quasars lointains Observation des quasars lointains nous renseigne sur les propriétés nous renseigne sur les propriétés de l’Univers à ses débutsde l’Univers à ses débuts

QuasarsQuasarspuisque les quasars sont à

de si grandes distances

leur lumière traverse une granderégion d’espace inter-galactique

avant de nous parvenir

une partie de la lumière estabsorbée pendant son parcours

Nous permet de sonder l’espace intergalactique

nuages de gaz froids

raies d’absorption

Lentilles Lentilles gravitationnellesgravitationnelles

Einstein avait prédit que la lumière devait être courbée en Einstein avait prédit que la lumière devait être courbée en passant près d’une concentration de massepassant près d’une concentration de masse

Le phénomène est observé lors de l’éclipse de Soleil de 1919Le phénomène est observé lors de l’éclipse de Soleil de 1919

Permet de mesurer la masse de la lentille même si non visiblePermet de mesurer la masse de la lentille même si non visible


Croix d’EinsteinCroix d’Einstein

Classification des Classification des galaxiesgalaxies

galaxies normales

galaxies Seyfert

radio galaxies

quasars

BL Lac

Les quasars sont si loin qu’en fait on ne voit que les plus vieux (la lumière des plus jeunes n’ayant pas eu le temps de nous parvenir

La lumière nous montre les quasars tels qu’ils étaient il y a plusieurs milliards d’annéesénergieénergie

Modèle possible - Modèle possible - QuasarQuasar

formation des galaxiesformation des galaxies

raies intensesraies intenses

raies largesraies larges

formation de super-formation de super-étoile 10étoile 1033-10-1066 M Msolsol--

>vie courte>vie courte

explosion gigantesqueexplosion gigantesque

formation de TN massifsformation de TN massifs

Gaz chauffé T extrêmes Gaz chauffé T extrêmes tombe vers le TN à tombe vers le TN à

grand Vgrand V

Autre modèle possibleAutre modèle possible Phénomènes les plus violents -> les

plus distants (QUASARS) Phénomènes les moins violents -> les

plus proches (SEYFERT) Au début de l’Univers -> conditions

extrêmes de densité -> collisions et interactions gravitationnelles

Maintenant, densité faible à cause de l’expansion (GALAXIES NORMALES)

Modèle unifié des AGNModèle unifié des AGN

Besoin de la Besoin de la présence d’un trou présence d’un trou noir super-massif noir super-massif pour expliquer la pour expliquer la luminosité extrême luminosité extrême des Quasarsdes Quasars

La présence de TN La présence de TN au centre de la au centre de la majorité des galaxies majorité des galaxies suggère qu’elles ont suggère qu’elles ont toutes commencées toutes commencées comme quasarscomme quasars

Signatures de Trou NoirSignatures de Trou Noir


M87M87


NGC 4438NGC 4438

Cen ACen A

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