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Structure et Evolution de lUnivers Françoise Combes Observatoire de Paris CNED, 24 Mars 2010.

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1 Structure et Evolution de lUnivers Françoise Combes Observatoire de Paris CNED, 24 Mars 2010

2 2 Structure et évolution de l'Univers Notre position dans l'Univers Distribution fractale des galaxies Fond cosmologique à 3K Big-Bang, Inflation Formation des galaxies Simulations Numériques Matière Noire, Energie Noire

3 3 Densité des structures dans lUnivers Système solaire g/cm 3 Voie Lactée g/cm 3 Groupe Local g/cm 3 Amas de galaxies g/cm 3 Superamas g/cm 3 Densité des photons (3K) g/cm 3 Densité critique ( =1) g/cm 3

4 4 Tailles dans La Galaxie Etoiles, R=15kpc= al Gaz, R=50kpc 1AU = cm 1pc = cm 1pc = AU

5 5 Amas et superamas proches (Jarrett 2004)

6 6 Gott et al (03) Carte Conforme Logarithmique "Grand Mur" Great Wall SDSS 1370 Mpc 80% plus long que le Great Wall CfA2

7 7 Grands surveys de galaxies CfA spectres de galaxies ( ) SSRS2, APM.. SDSS: Sloan Digital Sky Survey: 1 million de spectres de galaxies images de 100 millions d'astres, Quasars 1/4 de la surface du ciel (2.5m telescope) Apache Point Observatory (APO), Sunspot, New Mexico, USA 2dF GRS: Galaxy Redshift Surveys: spectres de galaxies AAT-4m, Australia et UK (400 spectres par pose)

8 8

9 9

10 10 Comparaison du CfA2 et SDSS (Gott 2003)

11 11 Structures fractales dans lUnivers Les galaxies ne sont pas distribuées de façon homogène mais selon une hiérarchie Les galaxies se rassemblent en groupes, puis en amas de galaxies eux-mêmes inclus dans des superamas (Charlier 1908, 1922, Shapley 1934, Abell 1958). En 1970, de Vaucouleurs propose une loi universelle Densité taille - avec = 1.7 Benoît Mandelbrot en 1975 crée le nom de « fractal » extension aux structures de lUnivers Régularité et ordre dans le chaos

12 12 Paradoxe dOlbers Pourquoi le ciel est-il noir? Dans lUnivers hiérarchique de Charlier, la condition est R i+1 /R i > N i+1 Ou bien, dans le cadre des fractals D > 1 car (R i+1 /R i ) D = N Projection de fractals avec D > 2 projection dim=2 Il est donc suffisant, pour que les galaxies ne remplissent pas la surface de lUnivers, que le fractal soit de dimension < 2 En fait, le paradoxe est résolu aussi par le Big-Bang (univers fini dans le temps) et lexpansion (redshift)

13 13 Densité des structures dans lUnivers Système solaire g/cm 3 Voie Lactée g/cm 3 Groupe Local g/cm 3 Amas de galaxies g/cm 3 Superamas g/cm 3 Densité des photons (3K) g/cm 3 Densité critique ( =1) g/cm 3

14 14 Principe Cosmologique Après Copernic, personne ne prétend que nous occupons une position privilégiée Pourtant, la densité décroît autour de nous Principe Cosmologique: isotropie et homogénéité LUnivers est paramétré selon ce principe (la métrique du référentiel existe) Préjugé non étayé par les observations?: léchelle d homogénéité na pas encore été atteinte Fonction de Corrélation à 2 points: loi de puissance de pente ( r ) r - (Peebles 1980, 1993)

15 15 Quelle est léchelle limite sup du fractal? 100 Mpc, 500 Mpc? Corrélations: formalisme inadéquat (on ne peut pas se servir de la densité) Densité autour dun point occupé ( r ) r - Sur la figure, pente = -1 Correspondant à D = 2 M ( r ) ~ r 2

16 16 Transition vers lhomogénéité Nombreuses controverses, groupes de Princeton (J. Peebles), et de Rome (L. Pietronero) Principal argument pour lhomogénéité: le fond cosmologique à 3K (Smoot et al 1992) COBE: fluctuations de à 7° Il doit exister une transition, correspondant aux échelles non-encore effondrées gravitationellement, découplées (non linéaires) Transition variable dans le temps

17 17 Le ciel est uniforme à =3mm Une fois le niveau constant soustrait dipole ( V = 600km/s) Après soustraction du dipole, la Voie Lactée, émissions de la poussière, synchrotron, etc.. Soustraction de la Voie Lactée fluctuations aléatoires T/T ~ 10 -5

18 18 Fonds cosmologique à 3K CMB 2.73K au-dessus de zéro (~ -270° C) longueurs d'onde millimétriques/cm ( ~= four micro-onde) 400 photons/cm 3 ( milliards /s/cm 2 ) 1% de la "neige" sur un poste TV Homogène et siotrope à près Ces anisotropies nous renseignent sur les fluctuations ayant donné naissance aux galaxies Dernière surface de diffusion ( ans après le Big-Bang)

19 19 Spectre du CMB

20 20 Le Big-Bang Modèles classiques de Friedman k<0 Hyperbolique k=0 Parabolique k>0 Elliptique, fermé Avec constante cosmologique crit Expansion, loi de Hubble V=HD

21 21 Paramètres de l'Univers crit

22 22 Expansion de l'Univers et redshift

23 23 Nucléosynthèse primordiale Yang et al 1984 Contraintes sur le rapport nombres de baryons sur le nombre de photons b = 0.05

24 24 Inflation Expansion accélérée, exponentielle, de l'Univers, proposée par Guth (1981) Energie de l'inflaton: équivalent à une constante cosmologique Explique l'homogénéité, l'isotropie et la platitude de l'Univers ( -1) croît avec t Résoud le problème de l'horizon, qui croît avec t or les structures croissent comme R(t) ~ t 1/2 Les fluctuations quantiques sont amplifiées elles sont à l'origine des fluctuations de matière et des galaxies

25 25 Horizon de l'Univers Vous êtes ICI au centre de l'Univers visible Regarder loin revient à remonter dans le temps Jusqu'au Big-Bang il y a 13.7 milliards d'années On ne voit que jusqu'à la dernière surface de diffusion ans après le Big-Bang

26 26 Solution du problème de l'horizon

27 27 Anisotropies du CMB Processus physiques simples gravité, thermodynamique photons couplés avec le plasma Régime linéaire Ondes acoustiques L'horizon à cette époque est de 1° (COBE a pour résolution 7°)

28 28 Crée une dépression Onde sonore à c /3 Horizon sonore à la recombinaison R~150Mpc Galaxies dans les sur-densités Ondes acoustiques Une simple perturbation

29 29 Multiples perturbations

30 30 Résultats WMAP m = 0.28 = 0.72 b =0.05 Ho = 71km/s/Mpc Age = 13.7 Gyr Univers plat

31 31 Univers homogène et isotrope jusquà la recombinaison et la condensation des structures Dernière surface de diffusion à t= ans Anisotropies mesurées dans le fond cosmologique

32 32 2dF et les modèles m h = 0.2 est favorisé b / m = 0.15 Soit m = 0.25, = 0.75 Peacock (2003) Spectre de puissance du 2dF-GRS +meilleur fit du -CDM

33 33 SDSS et l'énergie noire La comparaison des cartes du survey Sloan de galaxies avec les cartes WMAP ont permis de détecter des corrélations L'interprétation est par l'effet ISW (Integrated Sachs-Wolfe) L'énergie des photons est modifiée par le champ de gravité A la traversée d'un amas de galaxies (puits de potentiel) les photons gagnent de l'énergie en tombant (bleuissent) puis rougissent en remontant Si la traversée prend un certain temps (100 Myr), l'amas de galaxies aura eu le temps d'une expansion non négligeable (terme d'énergie noire ), et son potentiel sera moins profond à la sortie: les photons ressortent plus bleus

34 34 Effet ISW (Integrated Sachs-Wolfe)

35 35 Découvertes Récentes Big-Bang Recombinaison an Age Sombre 1 éres étoiles, QSO an Renaissance Cosmique Fin de l'âge sombre Fin de la reionisation 10 9 an Evolution des Galaxies Système solaire an Aujourd'hui an 2001 QSO z=6. absorption continue WMAP paramètres de lunivers Réionisation 2004: HUDF (ACS) Télescope Hubble : VLT Chandra/XMM NAG & amas

36 36 Découverte de lâge sombre de l'univers Ligne de visée devant un quasar Spectre en absorption Forêt Lyman-alpha ou absorption continue totale Djorgovski et al 01

37 37 Lentilles gravitationnelles

38 38 SNe Ia

39 39 Supernovae à grand redshift

40 40 Les paramètres de l'Univers Anisotropies du fonds cosmique (WMAP) Univers plat Observations des SN Ia Lentilles gravitationnelles =0.7 M =0.3 b =0.05

41 41 WMAP 5ème année Vecteurs polarisation du rayonnement Renormalisation de 8 plus faible, spectre pas tout à fait invariant

42 42 Oscillations acoustiques Temperature-polarisation angular cross power spectrum Anticorrélation 50

43 43 Taille de lUnivers Si lunivers est multi-connexe on devrait voir des « copies » dans le ciel Pour un univers plat, Il existe 18 possibilités Hypertore (parallélépipédique faces reliées 2 à 2) Dodécaèdre de Poincaré identification des faces par twist de 36°

44 Hypertore Comment paver lespace, courbure nulle

45 45 Problème quadrupole et octopole A grande échelle, faible amplitude observée (quadrupole et octopole) Un univers fini, qui impose une taille maximale aux longueurs donde autorisées: Univers dodécaédrique de Poincaré Luminet et al 2003 Pavage 3 sphères par 120 dodécaèdres

46 46 Contraintes WMAP Recherche de régions correspondantes dans la carte de température de lunivers Aucune détection (6 cercles devraient correspondre) Donne une limite inférieure de la taille de lUnivers à 24 Gpc Élimine le modèle dodécaédrique

47 47 Pic acoustique baryonique Eisenstein et al 2005 Ondes détectées aujourdhui dans la distribution des baryons galaxies SDSS

48 48 Schéma de formation des structures Fluctuations primordiales fond cosmologique Structures filamentaires simulations cosmologiques Galaxies baryoniques vues avec le HST

49 49 Formation des galaxies instabilité gravitationnelle Dans un Univers en expansion, les structures ne collapsent pas de façon exponentielle, mais se développent de façon linéaire Fluctuations de densité au départ / << 1 définition / = Les structures se développent comme le rayon caractéristique ~ R(t) ~ (1 + z) z décalage vers le rouge (1+z) ~ longueur donde des photons 1+z R(t)

50 50 Pour les baryons, qui ne peuvent se développer qu'après la recombinaison à z ~1000 T ~ 2.76 (1+z) K le facteur de croissance ne serait que de 10 3, insuffisant, si les fluctuations à cette époque sont de Seule la matière noire non-baryonique (pas dinteraction avec les photons, seulement par la gravité) peut commencer de se développer avant la recombinaison, juste après l'équivalence matière-rayonnement ~ R -3 matière ~ R -4 photons 1+z CDM ~1 baryons E R 10 -5

51 z 10 3 NEUTRE Rayonnement Matière IONISE ~ R -3 matière ~ R -4 photons Point dEquivalence E

52 52 Fluctuations de densité Tegmark et al 2004

53 53 Formation hiérarchique des galaxies Les plus petites structures se forment en premier, de la taille de galaxies naines ou amas globulaires Par fusion successive et accrétion les systèmes de plus en plus massifs se forment (Lacey & Cole, 93, 94) Ils sont de moins en moins denses M R 2 et 1/R

54 54

55 55 Matière noire CDM Gaz Galaxies Simulations (Kauffmann et al)

56 56 4 « phases » 4 Zoom levels from 20 to 2.5 Mpc. z = 3. (from. z=10.)

57 57 Multi-zoom Technique Objective: Evolution of a galaxy (0.1 to 10 kpc) Accretion of gas (10 Mpc)

58 58 Galaxies and Filaments Multi-zoom (Semelin & Combes 2003)

59 59 Hypothèses pour la CDM Particules qui au découplage ne sont plus relativistes Particules WIMPS (weakly interactive massive particles) Neutralinos: particule supersymmétrique la plus légère LSP Relique du Big-Bang, devrait se désintégrer en gamma (40 Gev- 5Tev) Peut-être particules plus légères, ou avec plus dintéraction non-gravitationnelles? (Boehm et al 04, 500kev INTEGRAL) Actions (solution to the strong-CP problem, ev) Trous noirs primordiaux?

60 60 Hypothèses pour les baryons noirs Baryons en objets compacts (naines brunes, naines blanches, trous noirs) sont soit éliminés par les expériences de micro-lensing ou souffrent de problèmes majeurs (Alcock et al 2001, Lasserre et al 2000) Meilleure hypothèse, cest du gaz, Soit du gaz chaud dans le milieu intergalactique et inter-amas Soit du gaz froid au voisinage des galaxies (Pfenniger & Combes 94)

61 61 Matière noire dans les amas de galaxies Dans les amas, le gaz chaud domine la masse visible La plupart des baryons sont devenus visibles! f b = b / m ~ 0.15 La distribution radiale dark/visible est renversée La masse devient de plus en plus visible avec le rayon (David et al 95, Ettori & Fabian 99, Sadat & Blanchard 01) La fraction de masse de gaz varie de 10 à 25% selon les amas La masse noire est au centre, et non à l'extérieur, ce qui infirme les modèles a gravité modifiée MOND

62 62 Distribution de la fraction de gaz chaud fg dans les amas Labscisse est la densité moyenne au rayon r, normalisée à la densité critique (Sadat & Blanchard 2001)

63 63 Energie noire, quintessence Energie quantique du vide?: Prédictions 120 ordres de grandeur de plus à léchelle de Planck 56 ordres de grandeur à léchelle EW (Electro-weak) Ne domine que très récemment (principe anthropique?) P= w E w ~ -1 w =w0 +w1 z Constante cosmologique = /8 G = constante ou bien (t) densité dépendant du temps? 5ème élément ou "Quintessence" Les 4 autres sont:Photons, Neutrinos (Leptons),Baryons, CDM Serait-il possible que le 4ème (inconnu) et le 5ème, l'énergie noire soient la même chose? Gas de Chaplygin Quartessence

64 64 Premières structures de gaz Après recombinaison, GMC de Mo collapse et fragmentent Jusquà Mo, H2 cooling efficace Lessentiel du gaz ne forme pas détoiles Mais une structure fractale, en équilibre avec T CMB Après les premières étoiles, ré-ionisation Le gaz froid survit pour être assemblé dans les filaments à grande Échelle, puis les galaxies Façon de résoudre la « catastrophe de refroidissement » Régule la consommation du gaz en étoiles

65 65 Abel et al 2000 Top: log sur-densité coupe dans le pic principal 320pc, 32pc + vitesses Bottom: log température Moins de 1% du gaz forme des étoiles

66 66 Réionisation Percolation progressive des zones ionisées

67 67 Problèmes dans la formation des galaxies (paradigme -CDM) Prédiction de "cuspides" au centre des galaxies, en particulier absentes dans les naines Irr, dominées par la matière noire Faible moment angulaire des baryons, et en conséquence formation de disques de galaxies 10 fois trop petits Prédiction dun grand nombre de petits halos (400 autour de la Voie Lactée), non observés La solution à ces problèmes viendrait-elle du manque de réalisme des processus physiques (SF, feedback?), du manque de résolution des simulations, ou de la nature de la matière noire?

68 68 Prédictions CDM: « cusp » ou « core » Loi de puissance de la densité ~1-1.5, observations ~0

69 69 Moment angulaire et formation des disques Les baryons perdent leur moment angulaire au profit de la CDM Paradigme: baryons initialement même AM spécifique que DM Le gaz est chaud, chauffé par les chocs à la température Viriel du halo Une autre façon dassembler la masse est laccrétion de gaz froid Le gaz est canalisé le long des filaments, modérément chauffé par des chocs faibles, et rayonne rapidement Laccrétion nest pas sphérique, le gaz garde son moment angulaire Gaz en rotation autour des galaxies, plus facile de former des disques

70 70 Trop de petites structures Aujourdhui, les simulations CDM prédisent 100 fois trop de petits halos autour des galaxies comme la Voie Lactée

71 71 Autres solutions pour les courbes de rotation des galaxies La matière noire peut résoudre le problème, mais aussi….. Une modification de la loi de Newton

72 72 MOND: MOdified Newtonian Dynamics Loi de la gravité modifiée, ou loi de linertie (Milgrom 1983) En-dessous de la valeur de laccélération a 0 ~ m/s -2 g M = (a 0 g N ) 1/2 Potentiel logarithmique Loi de Tully-Fisher M ~V 4 g M 2 ~V 4 /R 2 ~ GM/R 2

73 73 Courbes de rotation multiples.. Sanders & Verheijen 1998, tous types, toutes masses

74 74 Problèmes de MOND dans les amas Selon la physique des baryons, du gaz froid pourrait se trouver au centre des amas (flots de refroidissement) Dautre part, les neutrinos pourrait représenter 2x plus de masse que les baryons

75 75 Lamas du boulet Gaz X Masse totale Preuve de lexistence de matière Non-baryonique? Explicable avec MOND + neutrinos (% habituel, Angus et al 2006)

76 76 Abell 520 z=0.201 Mahdavi et al 2007 Rouge= gaz X Contours= lensing Cœurs de matière noire coincident avec X Mais pas avec galaxies Cas opposé!

77 77 Amas en collision Abell 520 Contours=masse totale Contours = gaz X Comment les galaxies sont-elles éjectées des pics CDM??

78 78 CL Jee et al 2007 Contours=lensing Contours= gaz X

79 79 Anneau de CDM, CL

80 80 Accrétion de gaz froid par les galaxies Scénario conventionel: chauffage par chocs à Température Viriel (10 6 K pour une galaxie comme la Voie Lactée) Les simulations avec résolution voient 2 modes d'accrétion Gaz froid le long des filaments, la fraction de gaz froid étant plus Grande dans les petits halos (M CDM < M o ) Keres et al 2005

81 81 Gas froid des filaments Densité du gaz froid Température Dekel & Birnboim (2006 ) Arrêt de la formation d'étoiles? Origine de,la bimodalité?

82 82 Feedback dû aux Starbursts ou AGN Di Matteo et al 2005

83 83 Amas de Persée Salomé et al 2006 Fabian et al 2003

84 84 Conclusion Paramètres de lUnivers: m =0.27, dont15% baryons, 85% ?? Le modèle de matière noire CDM, avec = 0.73 est celui qui correspond le mieux aux observations, surtout pour les grandes structures Encore des problèmes non résolus: CDM devrait dominer au centre des galaxies avec une cuspide Problème du moment angulaire des baryons, perdu au profit de la CDM, et formation des disques Prédiction dune multitude de petits halos, non observés La physique des baryons pourrait résoudre une partie des problèmes et notamment laccrétion de gaz froid Ou bien modifications de la gravité


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