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Distribution des galaxies Comprendre lexpansion de lUnivers Comprendre lexpansion de lUnivers Comprendre la construction dune échelle de distances Comprendre.

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1 Distribution des galaxies Comprendre lexpansion de lUnivers Comprendre lexpansion de lUnivers Comprendre la construction dune échelle de distances Comprendre la construction dune échelle de distances Comprendre les différentes échelles de regroupement des galaxies Comprendre les différentes échelles de regroupement des galaxies Comprendre le phénomène de collisions des galaxies Comprendre le phénomène de collisions des galaxies Comprendre le phénomène de matière sombre et son importance en astronomie Comprendre le phénomène de matière sombre et son importance en astronomie

2 Mesure des distances distance = temps Une galaxie observée à = 5 x 10 9 a.l. La galaxie est vue telle quelle était il y a 5 x 10 9 a.l.

3 Mesure des distances 1 kpc = 1000 pc = a.l. 1 Mpc = 1000 kpc = 10 6 pc = a.l. = 3 x km = km

4 REDSHIFT (décalage vers le rouge) décalée vers le bleu si décalée vers le bleu si lobjet sapproche de nous ( plus petit) effet Doppler effet Doppler décalée vers le rouge si décalée vers le rouge si lobjet séloigne de nous ( plus grand)

5 REDSHIFT Vitesse de récession = décalage spectral Vitesse de récession = décalage spectral vitesse de récession vitesse de la lumière décalage spectral longueur donde au repos

6 Ex: objet avec H à = nm 0 = nm (Ha) = 1 nm c = km/sec V = 1.0/656.3 x = 457 km/sec REDSHIFT

7 REDSHIFT plus un objet est distant plus lobjet est petit plus les raies spectrales sont décalées vers le rouge

8 Un Univers en expansion Hubble & Humason montrent que: Hubble & Humason montrent que: majorité des spectres de galaxies montre des décalages vers le rouge toutes les galaxies séloignent de nous Univers est en expansion

9 Loi de Hubble (1931) H 0 ~ 85 km/sec/Mpc galaxie V = 850 km/sec = 10 Mpc vitesse de récession (km/sec) Constante de Hubble (km/sec/Mpc) distance (Mpc)

10 Loi de Hubble Si toutes les galaxies séloignent de nous, est-ce que cela signifie que nous sommes au centre de lUnivers ? Si toutes les galaxies séloignent de nous, est-ce que cela signifie que nous sommes au centre de lUnivers ? NON NON Parce que toutes les galaxies séloignent de toutes les autres Parce que toutes les galaxies séloignent de toutes les autres (exemple: cuisson dun pain aux raisins)

11 Échelle de distances Afin de pouvoir déterminer la constante de Hubble (taux dexpansion de lUnivers) il faut pouvoir déterminer la distance aux galaxies indépendamment de leurs redshifts plusieurs étapes pour pouvoir arriver aux objets les plus lointains

12 Échelle de distances module de distance magnitude apparente magnitude absolue distance (pc) si on mesure V + si on obtient d on déterminera H 0

13 Loi de Hubble constante de Hubble: H 0 = V km/sec d Mpc taux dexpansion H 0 -1 = temps de Hubble = âge de lUnivers = 0 courbure = 0 Expansion de lunivers prédite par les équations dEinstein

14 Échelle de distance 1 ere étape: parallaxe, mouvements propres, vitesses radiales Méthodes utilisées dans lenvironnement solaire (d < pc) Méthodes utilisées dans lenvironnement solaire (d < pc) Connaissant la distance dune * dans un amas proche On connaît la magnitude absolue de toutes les * de lamas Si on mesure la magnitude apparente dune * de même type dans un amas plus lointain Module de distance = m – M distance

15 Échelle de distance 2 iè étape: Céphéides * assez lumineuses pour être détectées dans dautres galaxies (HST Mpc) Ex.: m = 20 P = 20 jours M = -5 = m – M = 5 log d - 5 = m – M = 25 d = /5 = 10 6 pc = 1 Mpc

16 Échelle de distance 3 iè étape: régions HII, amas globulaires, nébuleuses planétaires Comme ces objets sont beaucoup plus brillants que les * individuelles, on peut les observer dans les galaxies lointaines Comme ces objets sont beaucoup plus brillants que les * individuelles, on peut les observer dans les galaxies lointaines Lhypothèse de base est que les propriétés de ces objets ne varient pas dune galaxie à lautre Lhypothèse de base est que les propriétés de ces objets ne varient pas dune galaxie à lautre m – M = 24.4

17 Échelle de distance 3 iè étape: relations Tully-Fisher & Faber-Jackson Afin de pouvoir aller encore plus loin, il nous faut utiliser les propriétés globales des galaxies Spirales : gravité vs rotation Méthode de Tully-Fisher basée sur la vitesse maximum de rotation M B vs 2 V max

18 Échelle de distance 3 iè étape: relations Tully-Fisher & Faber-Jackson

19 Elliptiques : gravité vs dispersion des vitesses Méthode de Faber-Jackson basée sur la dispersion des vitesses totale M B vs V

20 Construction de léchelle de distance 0 parallaxes mouvements propres vitesses radiales pc Céphéides RR Lyrae Novae les plus brillantes 3 Mpc (télescope terrestre) 10 Mpc (HST) supernpvae amas globulaires nébuleuses planétaires régions HII Mpc Tully-Fisher Faber-Jackson 100 Mpc Loi de Hubble 5000 Mpc

21 Échelle de distances

22

23 Distances caractéristiques ObjetkmUnités-lumièreparsecs Terre-Lune sec.-lum. Soleil-Terre min.-lum. Soleil-Jupiter min.-lum. Soleil-Pluton heu.-lum. Centaurus 4.3 ann.-lum.1.3 pc Centre Galaxie ann.-lum.9 kpc Nuages Magellan ann.-lum.60 kpc Andromède ann.-lum.660 kpc Centaurus A ann.-lum.4.4 Mpc Amas Vierge ann.-lum.15 Mpc Amas Coma ann.-lum.90 Mpc Amas Hydra ann.-lum.800 Mpc quasars ann.-lum Mpc

24 Groupes & amas de galaxies propriétés des galaxies étudiées jusquà maintenant galaxies isolées propriétés des galaxies étudiées jusquà maintenant galaxies isolées Mais comme les * se regroupent en systèmes binaires, amas, … la majorité des galaxies sont en groupe Mais comme les * se regroupent en systèmes binaires, amas, … la majorité des galaxies sont en groupe

25 Pourquoi étudier les amas de galaxies ? 1. Formation des galaxies Galaxies (bottom-up) Quest-ce qui sest formé dabord ? Amas (top-down) 2. Morphologie des galaxies pas indépendante de lenvironnement

26 Pourquoi étudier les amas de galaxies ? 3. Évolution des galaxies difficile à voir dans les galaxies individuelles plus facile dans les amas de galaxies à différents redshifts 4. Distribution de masse à grande échelle Galaxies individuelles: masse sur quelques 10 kpc Groupes de galaxies: masse sur quelques 1Mpc Super-amas: masse sur quelques 10 Mpc

27 Le Groupe Local Majorité des galaxies fait partie de petits groupes comme le Groupe Local Majorité des dSphs sont satellites de M31 & de la Voie Lactée

28 Le Groupe Local 3 spirales 2 elliptiques 2 elliptiques naines ~ 10 naines sphéroidales ~ 13 irrégulières naines

29 Groupe Sculpteur Groupe Sculpteur (2.5 Mpc)

30 Amas de la Vierge Amas de la Vierge (15 Mpc) 10 3 galaxies: ½ S ½ E & S0 galaxie centrale M87 Source radio Source rayons-X

31 Amas de Coma Amas de Coma (90 Mpc) 10 4 galaxies: E & S0 au centre S en périphérie amas sphérique & concentré

32 Collisions entre galaxies Distances entre les * sont très grandes 20 x 10 6 diam. Distances entre les * sont très grandes 20 x 10 6 diam. Distances entre 2 galaxies: x diam. Distances entre 2 galaxies: x diam. Les collisions entre galaxies sont donc beaucoup plus fréquentes quentre les étoiles Les collisions entre galaxies sont donc beaucoup plus fréquentes quentre les étoiles

33 Collisions entre galaxies Lorsque 2 galaxies entrent en collision, cest surtout le milieu interstellaire (gaz) qui réagit violemment sursaut de formation d* couleurs bleues

34 Collisions entre galaxies Lorsque 2 galaxies entrent en collision mouvements de rotation transformés en mouvement au hasard (dispersion des vitesses) disques elliptiques (plate) (sphérique) (plate) (sphérique)

35 Collisions (NGC 7252) Collisions de 2 disques: Collisions de 2 disques: 1. Partie centrale stabilisée elliptique (pcq temps dynamique court) 2. Partie extérieure perturbée chaos + formation détoiles (pcq temps dynamique long)

36 Collisions (NGC 7252)

37 Collisions (NGC )

38 Collisions entre galaxies

39 Collisions

40 Interactions entre galaxies

41 Interactions HST formation détoiles

42 Évolution des galaxies en amas ConcentrationES0S(E+S0)/S Très concentré35%45%20%4.0 Moyennement concentré 15%55%30%2.3 Peu concentré15%35%50%1.0 Dans le champ15%25%60%0.7

43 Évolution des galaxies en amas

44 Phénomène de ségrégation: Phénomène de ségrégation: 1. E & S0 au centre 2. S en périphérie Collisions entre galaxies: Collisions entre galaxies: (S + S -> E) Cannibalisme galactique: Cannibalisme galactique: (E géante [cD] bouffe les S)

45 Évolution des galaxies en amas Phénomène de ram pressure : Spirale se fait arracher sa composante gazeuse par le milieu intergalactique S -> S0

46 HDF (Hubble Deep Field)

47 HDF-IR (Hubble Deep Field)

48 Évolution des galaxies

49 Dynamique des amas de galaxies Amas de galaxies (diam. < 5 Mpc) Amas de galaxies (diam. < 5 Mpc) Équilibre: Équilibre: gravité dispersion des vitesses Théorème du viriel: Théorème du viriel: M A = 6 2 R/G = dispersion des vitesses (km/sec) = dispersion des vitesses (km/sec) R = rayon de lamas (Mpc)

50 Dynamique des amas de galaxies M A = 6 2 R/G ~ 1000 km/sec ~ 1000 km/sec R ~ Mpc M A ~ 7 x 10 8 (1000) 2 ( ) M A ~ – M sol

51 Super-amas Local centre: amas de la Vierge (diam.= 15 Mpc) différence: montre que la Voie Lactée est en périphérie du super-amas Local HémisphèreSud N=38 galaxies HémisphèreNord N=378 galaxies V < 1100 km/sec < 15 Mpc < 15 Mpc

52 Super-amas Local

53

54 Structures à grande échelle V < 1500 km/sec < 200 Mpc < 200 Mpc

55 Structures à grande échelle Galaxies semblent concentrées sur des structures en bulles Galaxies semblent concentrées sur des structures en bulles Immenses régions (voids – trous) où il ny a pas de galaxie Immenses régions (voids – trous) où il ny a pas de galaxie

56 Structures à grande échelle 3 D 2 D

57 Matière sombre - Historique Zwicky étudie la dynamique de lamas Coma. Théo. du viriel masse est 4X plus grande que la somme des masses individuelles Smith étudie la dynamique de lamas de la Vierge même conclusion Freeman analyse la courbe de rotation HI de NGC 300 autant de matière sombre que de matière visible

58 Matière sombre Il ny a aucune raison de supposer que tous les types de matière dans lUnivers émettent des photons détectables: Il ny a aucune raison de supposer que tous les types de matière dans lUnivers émettent des photons détectables: 1. Aucune raison pour que les processus de formation d* nest pas produit un grand nombre d* où M * < 0.08 M soleil

59 Matière sombre 2. Si ce nétait de la transition de H à 21cm, on ignorerait ~10% de la masse visible des Sp (HI) 3. La poussière dans les galaxies a été découverte parce que taille des grains ~ longueurs donde visibles (lumière pas seulement absorbée mais rougie)

60 Matière sombre Masse PAS CORRÉLÉE avec la lumière Masse PAS CORRÉLÉE avec la lumière 95% lumière M * > M soleil Environnement du Soleil Environnement du Soleil 95% masse M * < M soleil

61 Matière sombre – définition On appelle matière sombre nimporte quelle forme de matière qui német aucun photon détectable à aucune longueur donde (rayons-, rayons-X, UV, visible, IR, radio, …) du spectre électromagnétique mais dont lexistence est déduite uniquement par ses effets gravitationnels On appelle matière sombre nimporte quelle forme de matière qui német aucun photon détectable à aucune longueur donde (rayons-, rayons-X, UV, visible, IR, radio, …) du spectre électromagnétique mais dont lexistence est déduite uniquement par ses effets gravitationnels

62 Matière sombre Naines blanches: bien quun grand nombre ait pu sêtre refroidies jusquau point dêtre invisibles, elles ne sont pas de la matière sombre pcq on peut déduire leur présence par: Naines blanches: bien quun grand nombre ait pu sêtre refroidies jusquau point dêtre invisibles, elles ne sont pas de la matière sombre pcq on peut déduire leur présence par: 1. Létude de la densité des naines blanches p/r aux * de la SP dans lenvironnement solaire 2. Soit à laide des théories dévolution stellaire 3. Soit à partir de lhistoire de formation détoiles dans notre environnement

63 Matière sombre dans les spirales Dans les régions intérieures, la matière visible (gaz & étoiles) suffit à expliquer les vitesses de rotation Dans les régions intérieures, la matière visible (gaz & étoiles) suffit à expliquer les vitesses de rotation À la fin du disque stellaire, la matière visible et la matière sombre contribuent à peu près également aux vitesses À la fin du disque stellaire, la matière visible et la matière sombre contribuent à peu près également aux vitesses Dans les régions extérieures, la masse est totalement dominée par la matière sombre Dans les régions extérieures, la masse est totalement dominée par la matière sombre

64 Matière sombre dans les dIrrs Le halo de matière sombre domine à tous rayons Il y a même plus de matière lumineuse sous forme de gaz que sous forme détoiles 90% de la masse est sous forme de matière sombre

65 Matière sombre dans les amas NGC 2300 (rayons-X) NGC 2300 (rayons-X) Rayons-X = gaz chaud Rayons-X = gaz chaud Devrait se disperser Devrait se disperser Confiné par la matière sombre Confiné par la matière sombre

66 Matière sombre dans les amas Type dobjetDimensionRapport (M/L) % de matière sombre Environnement solaire100 pc3-533% Spirales30-50 kpc % Systèmes binaires kpc % groupes Mpc % Amas1-5 Mpc %

67 La matière sombre Astéroïdes Comètes Trous Noirs Hydrogène ionisé ou moléculaire Naines brunes baryonique WIMPS Weakly Interacting Massive ParticleS Non baryonique protons neutrons électrons photinos gravitinos neutrinos


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