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Faculté des arts et des sciences Département de physique Astronomie Extragalactique Cours 9: AGN : Seyferts, radio- galaxies, QSOs, BL Lac, etc.

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1 Faculté des arts et des sciences Département de physique Astronomie Extragalactique Cours 9: AGN : Seyferts, radio- galaxies, QSOs, BL Lac, etc

2 Faculté des arts et des sciences Département de physique Galaxies Actives AGN (Active Galactic Nuclei) Galaxies SeyfertGalaxies Seyfert Radio GalaxiesRadio Galaxies QuasarsQuasars BL LacBL Lac Etc (Liners, …)Etc (Liners, …)

3 Faculté des arts et des sciences Département de physique Galaxies Actives 2iè guerre mondiale développement des radars application des techniques radar en astronomie 1943: découverte de galaxies avec des raies démission larges par Carl Seyfert Galaxies de Seyfert 1946: découverte dune radio source ponctuelle Cygnus A 1948: beaucoup dautres sources sont détectées

4 Faculté des arts et des sciences Département de physique Galaxies Actives développement des techniques de radio interférométrie Sydney Cambridge Australie UK 1949: positions ~ 10 montrent que les radio sources sont associées à des galaxies 1949: positions ~ 10 montrent que les radio sources sont associées à des galaxies Virgo A=M87 (15 Mpc) Cen A=N5128 (5 Mpc) 1950: Alfven & Herlofsen suggèrent que la radiation des radio sources est le processus synchrotron 1950: Alfven & Herlofsen suggèrent que la radiation des radio sources est le processus synchrotron

5 Faculté des arts et des sciences Département de physique Galaxies Actives 1 er lien interférométrique 1951: Graham Smith position de Cygnus A ~ : Graham Smith position de Cygnus A ~ 1 Baade & Minkowski identifie Cygnus A avec une galaxie particulière Z= 0.06 (~ 250 Mpc) Baade & Minkowski identifie Cygnus A avec une galaxie particulière Z= 0.06 (~ 250 Mpc) Cyg A > 10 6 VL en radio Radio Galaxies 1953: Cygnus A 2 lobes = : Cygnus A 2 lobes = 2

6 Faculté des arts et des sciences Département de physique Galaxies Actives développement des ordinateurs 1960: période de consolidation – catalogue 3C 1960: période de consolidation – catalogue 3C étendues – 2 lobes 2 types de sources discrètes < : 3C48 identifié à un objet dapparence stellaire spectre indéchiffrable ?? 1960: 3C48 identifié à un objet dapparence stellaire spectre indéchiffrable ??

7 Faculté des arts et des sciences Département de physique Galaxies Actives ouverture de synthèse développement en électronique radio astronomie se déplace vers les hautes fréquences 1963: 3c273 -> étoile radio ! spectre inexpliqué si z= : 3c273 -> étoile radio ! spectre inexpliqué si z=0.158 Quasars Quasars (quasi-stellar radio source) 1963: quasars ne semblent pas obéir à la loi de Hubble 1963: quasars ne semblent pas obéir à la loi de HubblecosmologiqueRedshiftgravitationnel

8 Faculté des arts et des sciences Département de physique Galaxies Actives 1965: on trouve des sources radio qui varie sur t ~ année ? 1965: on trouve des sources radio qui varie sur t ~ année ? 1965: Sandage trouve des quasars non-radio 1965: Sandage trouve des quasars non-radio QSO QSO 1968: nouveau type de sources t ~ques jours 1968: nouveau type de sources t ~ques jours BL Lac BL Lac plus énergétiques que les quasars et les radio galaxies plus énergétiques que les quasars et les radio galaxies objet émettant autant dénergie radio que plusieurs millions de Voie Lactée mais dont la région démission a une dimension de seulement quelques jours-lumière (~système solaire) ! objet émettant autant dénergie radio que plusieurs millions de Voie Lactée mais dont la région démission a une dimension de seulement quelques jours-lumière (~système solaire) !

9 Faculté des arts et des sciences Département de physique Types dAGN Définition (flou!): possible que la plupart des galaxies aient un noyau qui montre quelques formes dactivité à un niveau ou à un autre dans le sens quil y a une source dénergie autre que les sources thermo-nucléaires des étoiles. AGN: galaxie ayant une activité nucléaire substantielle (nature quantitative mal définie – varie selon les auteurs)

10 Faculté des arts et des sciences Département de physique Types dAGN On observe des ailes faibles très larges (x1000 km/s en H & H Implique du matériel accéléré à de très grandes vitesses ou se déplaçant dans un puit de potentiel profond Éjection ou disque daccrétion autour dun trou noir H H [OIII] [OI]H +[NII] [SII] Surtout lignes dabsorption stellaireExicitation plus faible que pour Sy I

11 Faculté des arts et des sciences Département de physique Types dAGN (dans la littérature) 1.Galaxies Seyfert 1 (Sy I) 2.Galaxies Seyfert 2 (Sy II) BLRG 3.Radio galaxies NLRG Radio-loud (RQ) 4.Quasars (QSO) Radio-quiet(QQ) 5.BL Lac Objects (blazars) 6.Optically Violent Variables (OVVs) 7.Low Ionization Nuclear Emission-line Regions (LINERS) 8.Nuclear HII Regions 9.Starburst Galaxies 10.Luminous IR Galaxies (LIRG)

12 Faculté des arts et des sciences Département de physique Galaxies Seyfert Galaxies spirales avec un noyau très brillant quelques 100 km/sec raies démission larges quelques 1000 km/sec gaz éjecté du noyau à de très grandes vitesses NGC 1566 M 77NGC 7742

13 Faculté des arts et des sciences Département de physique Seyfert Galaxies Déf: galaxie spirale avec noyau très brillant + raies démission nucléaires larges ( > X100 km/s X1000 km/s) Noyau souvent plus lumineux que le reste de la galaxie Lumière peut varier sur des t < 1 année une région < que la séparation moyenne entre 2 * émet plus de lumière que * ! NGC 5548 – Seyfert INGC 3277 – normal SA(r)ab HST – même échelle log.

14 Faculté des arts et des sciences Département de physique Seyfert Galaxies Sy ISy II 2000 km/s 5000 km/s 400 km/s 2 types de Seyfert: selon les largeurs relatives des lignes démission dH p/r aux raies interdites ([NII] [SII] [OIII]} etc) Sy I: raies dH larges (> 10 3 km/s) & raies interdites plus étroites (< 10 3 km/s) Sy II: raies dH & raies interdites équivalentes (~ 10 3 km/s)

15 Faculté des arts et des sciences Département de physique Seyfert Galaxies (variabilité) Étude de variabilité: cette approche utilise la notion que les changements observés dans le continu ionisant va se refléter dans le gaz des raies dabsorption après un délai qui correspond à la distance-lumière entre le noyau et le nuage de gaz CIV et Ly : r =qques jours-lum MgII: r = qqes mois-lum Sy I X-ray - ROSAT IUE Raies démission IUE Continu UV

16 Faculté des arts et des sciences Département de physique Seyfert Galaxies Différences entre Sy I & Sy II proviennent probablement du fait que les raies dH et les raies interdites sont formées à différentes ou même distance du noyau Noyau dune Sy I ressemble à un QQ, mais luminosité plus faible (M V > -23) Différence entre Sy I et QQ dépend probablement plus de la façon dont ils sont découverts Brillance de surface ~ (1+z) -4 correction K z < 0.01 Sy z > 0.10 QQ

17 Faculté des arts et des sciences Département de physique Seyfert Galaxies Les galaxies Seyfert sont principalement des galaxies spirales de premier type (early-type)

18 Faculté des arts et des sciences Département de physique Seyfert Galaxies (noyau) Anneau de SF Mini Sp (HII)Poussière Certaines Sy ne sont pas visibles dans loptique parce que le noyau est obscurci par la poussière et sont uniquement visibles dans lIR Sy II

19 Faculté des arts et des sciences Département de physique Seyfert Galaxies (NGC 1068) Classé Sy 2 mais en fait contient un noyau Sy 1 obscurci par un tore de poussière (+ produit un jet perpendiculaire au plan du disque) Probablement que plusieurs Sy 2 sont en fait des Sy 1 (si on les voyait sous le bon angle – selon laxe du tore) Sy 2 Sy 1

20 Faculté des arts et des sciences Département de physique Seyfert Galaxies (NGC 4151) Spectre UV Spectre NIR - Gemini Image optique – noyau brillant

21 Faculté des arts et des sciences Département de physique Seyfert Galaxies (fréquence) Fréquence: quelques % (Shapley-Ames ~ 2%) 2 possibilités non-résolues: Chaque spirale passe qques % de sa vie dans une phase dactivité Seyfert Qques % de toutes les galaxies sont des Seyferts Presque toutes les galaxies Seyferts sont des spirales

22 Faculté des arts et des sciences Département de physique Seyfert Galaxies Seyferts souvent vues en interaction ou près dune autre galaxie Indice sur lorigine de lactivité du noyau

23 Faculté des arts et des sciences Département de physique Radio Galaxies Déf: galaxies avec puissance radio > 100 P MW (P MW ~ erg/s) (10 39 < P RG < erg/s) Majorité des galaxies spirales (ex: MW) émettent en radio (P < erg/s) Rayonnement provient délectrons relativistes produits par des SNs Pas considérées comme des radio galaxies Contre partie optique est habituellement une E (cD) Mais classification difficile à cause du z

24 Faculté des arts et des sciences Département de physique Radio Galaxies structure à 2 lobes (Cygnus A) 2 types 2 types structure cœur-halo (M87 – grande échelle) Cygnus A M 87

25 Faculté des arts et des sciences Département de physique Radio Galaxies (double lobe)

26 Faculté des arts et des sciences Département de physique Radio Galaxies Spectre nucléaire optique – 3 classes: Narrow lines – NL (~ Sy 2) Broad lines – BL (~ Sy 1) Weak lines – WL 2 types: PRG (Powerful Radio Galaxies) Associés à des E très lumineuses (NL, BL) Forte évolution cosmologique, cad nombre/volume plus grand pour z > 2 que pour z = 0 WRG (Weak Radio Galaxies) Associées à des E peu lumineuses (WL) Pas dévolution cosmologique

27 Faculté des arts et des sciences Département de physique Radio Galaxies BLRG - PRG NLRG - WRG

28 Faculté des arts et des sciences Département de physique Radio Galaxies (Cygnus A) z = 0,065 – distance = 211 Mpc double-lobes = 140 kpc radio-galaxie NL mais beaucoup de poussière polarization suggère BL SOL HST

29 Faculté des arts et des sciences Département de physique Radio Galaxies (Cygnus A) coeur jets chocs avec IGM hotspots

30 Faculté des arts et des sciences Département de physique Radio Galaxies (Jets & cœur)

31 Faculté des arts et des sciences Département de physique Radio Galaxies (Jets & cœur) Galaxie visible

32 Faculté des arts et des sciences Département de physique Radio Galaxies (Jets & cœur) Poussière suggère la présence du disque daccrétion avec les jets perpendiculaires au disque

33 Faculté des arts et des sciences Département de physique Radio Galaxies (Centaurus A) Merger entre E & Sp

34 Faculté des arts et des sciences Département de physique Radio Galaxies (Centaurus A) Spirale (HI, pop. I) Continu non-thermique Elliptique (pop. II, vieille) Gaz chaud > 10 6 K

35 Faculté des arts et des sciences Département de physique Radio Galaxies (double lobe) Radiation synchrotron (électrons relativistes spiralent autour des lignes de champ magnétiques)

36 Faculté des arts et des sciences Département de physique Radio Galaxies (optique – grand z) petit z ~ E grand z ~ Irr Merger ?

37 Faculté des arts et des sciences Département de physique Radio Galaxies (NGC 6251) Une leçon importante des radio galaxies est que le moteur central continue à éjecter du matériel dans presque toujours la même direction pendant plusieurs millions dannées Grande échelle (1 deg.): Westerbork (49 cm) Petite échelle: VLA (20cm) Très petite échelle (res.: arcsec): VLBI – éjection toujours dans la même direction Éjection pas continue

38 Faculté des arts et des sciences Département de physique Sources Head-tail - IGM Lexistence des sources head- tail est le meilleur exemple de la présence du IGM Effet plus prononcé vers le centre damas riches

39 Faculté des arts et des sciences Département de physique Radio Galaxies (M 87)

40 Faculté des arts et des sciences Département de physique Radio Galaxies (M 87) Galaxie elliptique au centre de lamas de la Vierge Jet de matière séchappe du noyau - plusieurs nœuds suggèrent plusieurs événements explosifs et violents Masse (M87) = 100X masse Voie Lactée Observations suggèrent la présence dun trou noir massif au centre M87 = Virgo A HST: near-UV (290nm) & near IR (800nm)

41 Faculté des arts et des sciences Département de physique Radio Galaxies (M 87) V ~ 1200 km/s r ~ 0.2 arcsec Young et al. 1978

42 Faculté des arts et des sciences Département de physique Signature du Trou Noir (M 87) M87 – Virgo A

43 Faculté des arts et des sciences Département de physique Quasars Propriétés des radio quasars (RQ, radio-loud) ressemblent aux PRG Optique; objet bleu (U- B) < 0), non-résolu, très lumineux (-23

44 Faculté des arts et des sciences Département de physique Quasars Propriétés des RQ semblables aux Sy I & BL radio galaxies. Pour z grand (0.15 < z < 4.0) image stellaire sur le DSS Pour z petit (z < 0.15) fuzz & jet sont observés

45 Faculté des arts et des sciences Département de physique Quasars (variabilité) Variabilité t ~ 1 an Diam < 1 a.l. Z variabilité

46 Faculté des arts et des sciences Département de physique Quasars (spectres) Fort continu UV Lyman break

47 Faculté des arts et des sciences Département de physique Quasars (3C 273 – QSO le plus brillant) 3C 273: le premier quasar identifié 3C 273: le QSO le plus brillant – m app Intrinsèquement très lumineux pour un QSO si proche ! NTT: traces de la galaxie hôte Pas de contre partie radio !

48 Faculté des arts et des sciences Département de physique Quasars (raies dabsorption) 3 types: 1.Raies métalliques: CIV 1548/1551 & MgII 2796/2803 Habituellement au même z que les raies démission Forêt Lyman ( > 320nm – z > 1.6) X100 raies – côté bleu des raies démission Produites par des nuages IGM avec abondances faibles BAL: Broad Absorption lines (x1000 km/s) Côté bleu mais très près des raies démission Produites près des QSOs

49 Faculté des arts et des sciences Département de physique Quasars (raies dabsorption) Lignes métalliques ionisées – 2 groupes: MgII (SiII, CII, FeII): produit dans les halos de galaxies normales ou dans des régions de formation détoiles CIV (SiIV, NV, OIV): provient de nuages dans des galaxies jeunes fortement ionisés par des *OB (abondance faible galaxies jeunes)

50 Faculté des arts et des sciences Département de physique Quasars (raies dabsorption) Forêt Lyman raies produites par ses nuages dH IGM cm -2 M ~ M sol Dimensions ~ x10 kpc (lentilles grav.) nuages de gaz froids raies dabsorption # de raies augmente avec z 50 min.s HST 7 hours Keck

51 Faculté des arts et des sciences Département de physique Quasars (raies dabsorption) 3C 196, z = 0.87 Absorption HI (21 cm) correspond à une galaxie à z = 0.44 vue par le HST (SB) Brown et al. 1988

52 Faculté des arts et des sciences Département de physique Quasars (raies dabsorption) Côté, Wyse, Carignan, Freeman, Broadhurst 2005, ApJ, 618, 178

53 Faculté des arts et des sciences Département de physique Quasars (raies dabsorption) Côté et al. 2005

54 Faculté des arts et des sciences Département de physique Quasars (lentille gravitationnelle) Weymann et al : premier cas confirmé de lentille gravitationnelle (1979)

55 Faculté des arts et des sciences Département de physique Quasars (lentille gravitationnelle) (Croix dEinstein): quasar z = galaxie z = Quasar à 0.05 arcsec du noyau

56 Faculté des arts et des sciences Département de physique Quasars (évolution) Distribution des QSO pique vers z=2 lorsque lUnivers avait ~ 1/3 de son âge (~ 5x10 10 années) Luminosité des QSOs décroît pour z < 2 peut-être relié à lépoque de formation

57 Faculté des arts et des sciences Département de physique Quasars (hosts) Avant HST: Radio-loud E Radio-quiet S Après HST: Radio-loud: pas de S Radio-loud & radio-quiet: E ou mergers Hosts souvent près dune galaxie proche compacte Hosts montrent des signes dinteraction plus fréquents que les galaxies normales QSO ont une galaxie proche x6 galaxies normales

58 Faculté des arts et des sciences Département de physique Objets BL Lac (blazars) Classe mal définie (peut- être une classe de QSO ?) Galaxie E + noyau très brillant Variabilité – t court Variations: t < 1 semaine x2 t < qques mois x15 spectre: continu non- thermique sans (ou très peu) de lignes démission Montre que le BL Lac est dans une E Variabilité

59 Faculté des arts et des sciences Département de physique Objets BL Lac (blazars) BL Lac: cas extrême de quasar compact on devrait probablement parler dun quasar dans une phase BL Lac plutôt que dobjets BL Lac depuis sa création Absence de raies démission : jet vu head-on (continu non- thermique)

60 Faculté des arts et des sciences Département de physique Superluminal motions (quasars, radio-galaxies, BL Lac jets) V app ~ 4c

61 Faculté des arts et des sciences Département de physique Superluminal motions (quasars, radio-galaxies, BL Lac jets) V app ~ 9.6 +/- 0.8 c 2 se déplace vers nous à v ~ c v t = v.sin /[1 – (v/c).cos ]

62 Faculté des arts et des sciences Département de physique AGN (autres types) LINER AGN (autres types) Low Ionisation Nuclear Emission-line Region (LINER) La plupart (sinon toutes) des galaxies normales montrent des raies démission dans leur noyau Raies de faible excitation ([NII], [OII], [SII],…) comparées aux raies de hautes excitation des Sey & QSO Mécanismes dexcitation Photoionization Collisions & chocs Sources dionosation des régions HII: amas d* chaudes – p.e. *WR LINERS = Low luminosity end des AGN différence: rayonnement thermique -> *

63 Faculté des arts et des sciences Département de physique AGN (autres types) Nuclear HII regions: plusieurs noyaux de galaxies ont dans leur spectre des raies étroites (Balmer, [OIII]) caractéristiques de régions HII ionisées par des * chaudes – pas vraiment des AGNs Galaxies starburst: galaxies ayant un taux de formation détoiles beaucoup plus élevé que la moyenne pendant la vie de la galaxie (p.e. merger) – pas vraiment des AGNs (thermique) Sources IR fortes: radiation re- radiée par de la poussière chauffée par un AGN ou un starburst Diagramme-diagnostic starburst pour les AGNs du SDSS. Les courbes montrent lendroit attendu des galaxies avec un SFR continu. Droite: montre que les AGNs ont des épisodes starburst

64 Faculté des arts et des sciences Département de physique Modèle standard (AGN)

65 Faculté des arts et des sciences Département de physique Modèle standard (AGN) Trou noir supermassif (10 6 – 10 8 M sol ) M = 10 8 M sol R G ~ 3x10 13 cm Disque daccrétion: UV/X thermique & raies haute ionisation R ~ 3 – 100 R G Nuages BL (> 10 3 km/s) R ~ R G Torus de poussière (même plan que le disque daccrétion) R ~ R G Nuages NL (x100 km/s) R ~ R G Jet relativiste ~ 50R G

66 Faculté des arts et des sciences Département de physique Modèle standard (AGN) Modèle Observations


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