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Les galaxies : interactions & collisions, et lévolution du contenu matériel de lUnivers.

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1 Les galaxies : interactions & collisions, et lévolution du contenu matériel de lUnivers

2 Messier 61NGC 4449 NGC 4725 NGC 5068NGC 5247 NGC 5774 / 5775 le monde des galaxies contient des objets « normaux » ….

3 … et aussi quelques beaux monstres inclassifiables ….

4 Lenticulaires Elliptiques Spirales La classification morphologique de Hubble pour les galaxies géantes

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6 Lastronome veut expliquer ce quil observe ! Les monstres, même et surtout sils sont rares, doivent être aussi explicables et compréhensibles que les objets plus courants que sont les galaxies spirales « régulières », les galaxies elliptiques bien symétriques, et les irrégulières « magellaniques » de faible luminosité. Et en effet, à peu près tous les monstres connus sur lesquels linformation est suffisante sont explicables par les phénomènes dinteraction gravitationnelle entre galaxies qui se rencontrent dans lespace.

7 Messier 31 dAndromède (type Sb) Un constat : les galaxies sont rarement isolées !

8 Généralement, on les trouve par petits groupes lâches, au sein desquels une ou deux galaxies « géantes » sont accompagnées par plusieurs objets de dimensions et de luminosité plus petites. Un exemple typique est « notre » Groupe Local...

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11 Le Groupe Local: une « petite » structure: 30 galaxies, 5 millions da.-l. de diamètre

12 Ces groupes sont des « structures » où les divers objets sont liés par leur attraction gravitationnelle mutuelle. Les objets les plus massifs, la ou les galaxies « géantes », contiennent de quelques dizaines à quelques centaines de milliards de masses solaires. Ils exercent une force dattraction importante sur les objets voisins. Ceux-ci peuvent ainsi subir des phénomènes de « marée ».

13 La force de marée: attracteur R1 R2 F1 Fc F2 La force d'attraction est d'autant plus grande que le point où elle s'exerce est proche du centre de l'attracteur

14 La force de marée : attracteur R1 R2 F1-Fc F2-Fc La force de marée joue en sens inverse aux deux points opposés. Elle va déformer le corps s'il est suffisamment fluide. (Elle peut aller jusqu'à le disloquer complètement). Une galaxie, constituée de nombreuses étoiles individuelles localisées dans lespace,et de matière interstellaire, est assimilable à un fluide !

15 La force de marée : attracteur R1 R2 F1-Fc F2-Fc Mais le corps attiré nest pas le seul à subir la marée. Il exerce lui-même une force de marée sur lattracteur !! Celui-ci, sil est fluide, va donc être déformé en retour !! Si on a affaire à deux galaxies, elles vont se déformer toutes deux « en sens opposés », donnant le phénomène spectaculaire des « queues de marée ». Comme les deux objets ont, en plus, une rotation propre, les queues de marée vont sincurver dans lespace…

16 Cargo Voilier tonnes 3 tonnes La mer est à tout le monde, nest-ce pas ? La plus ou moins grande violence des interactions:

17 1 23 Un peu bousculé… Carrément secoué Oh là la !!!!!!!!!!!!

18 Les interactions de marée entre galaxies et leurs effets sur la structure des objets sont dautant plus forts : - que les vitesses relatives sont peu élevées - que les objets sont proches lun de lautre - que les plans des disques, lorsquil sagit de galaxies à disque, sont parallèles. - que les objets tournent sur eux-mêmes dans le même sens que leur sens de révolution orbitale (rencontre dite « prograde »). - la rotation propre des objets, par des phénomènes complexes de couplage entre forces, provoque lapparition de figures spécifiques, « ponts de matière » et « queues de marée ».

19 Collisions de galaxies ou collisions détoiles ?? 1cm Soleil Proxima Cen 280 km !!!D =

20 Comment étudie-t-on les interactions entre galaxies ? - par lobservation : morphologie, photométrie, traitement dimages faisant apparaître des composantes peu visibles. Analyse des mouvements internes de la matière, montrant lexistence de deux entités dynamiques au sein dun seul objet - par les simulations numériques : on essaie de reproduire lhistoire de lévolution dune collision de galaxies au moyen du calcul des forces gravitationnelles sur deux ensembles de « particules » qui simulent chacun une galaxie. (codes N- corps, codes hydrodynamiques, codes mixtes) Seule lobservation permet de contraindre suffisamment les paramètres de ces simulations, et de choisir les solutions « les plus probables ».

21 Quelques cas souvent observés NGC 6872 et IC 4970 cliché © ESO - VLT

22 Linteraction dune galaxie géante et dun compagnon nain : ce cas est fréquent au sein des petits groupes où une galaxie géante est accompagnée à faibles distances, de plusieurs naines. Les simulations numériques ont permis dexpliquer plusieurs effets observés: - renforcement de structures dans la géante (« excitation » de la spirale : Messier 51), - gauchissement du disque de la géante, - destruction dun compagnon et cannibalisme de ses étoiles qui sont peu à peu incorporées à la population stellaire de la géante.

23 M 51 et son compagnon cliché NASA-HST

24 M104, El Sombrero cliché NASA-HST Les gauchissements des disques des spirales peuvent être dus à des interactions avec des galaxies de faible masse. ESO G cliché NASA-HST

25 La Voie Lactée « dévore » certains de ses propres amas détoiles soumis aux effets disruptifs de ses forces de marée. Ce genre daventure fâcheuse arrive aussi aux galaxies naines (faible masse) compagnes proches (trop proches) de la Voie Lactée: elles peuvent être détruites (en tant que systèmes autonomes) après capture. On retrouve leurs étoiles dispersées dans des « courants ».

26 La galaxie naine sphéroïdale du Sagittaire, SagDEG, très difficilement identifiable, nest quà a.-l. du Soleil

27 Vue de SagDEG en perspective

28 Voici comment la Voie Lactée a presque désintégré SagDEG en un petit milliard dannées...

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30 Collision lente dune galaxie à disque (spirale) avec un objet qui passe près de son centre et perpendiculairement au plan du disque Ce cas est évidemment très rare. Il donne naissance aux galaxies en anneau comme la célèbre Roue de Charrette

31 La galaxie de la Roue de Charrette

32 La Roue de Charrette est un objet favori des simulateurs … qui disposent de gros moyens de calcul numérique!

33 Des simulations numériques permettent dinterpréter un phénomène comme la Roue de Charrette par la collision dune galaxie à disque (vue de face à gauche, de profil à droite) avec une galaxie plus petite qui la traverse en son centre. La simulation est conduite avec des particules-tests sans viscosité (non collisionnelles en elles-mêmes, analogues à des étoiles) sur une machine à calcul parallèle dédiée. Simulation N-corps copyright E. Athanassoula et A. Bosma, Observatoire Astronomique de Marseille- Provence Vidéo : cliquer dans limage pour démarrer

34 La collision « catastrophique » La déformation de la structure dune galaxie coûte beaucoup dénergie. Cette énergie est puisée dans le mouvement orbital mutuel des partenaires de la rencontre. Il en résulte un freinage orbital et un resserrement des orbites. Les galaxies se rapprochent lune de lautre (« orbital decay ») Ce rapprochement intensifie les forces dinteraction et précipite la dégradation des orbites. Après une à trois révolutions, il y a fusion des objets (« merging ») Les structures initiales peuvent être détruites si les masses des partenaires de la collision sont voisines, une nouvelle galaxie apparaît sur les ruines des deux galaxies initiales.

35 Collision avec fusion de deux systèmes aplatis en rotation: formation de galaxie elliptique géante

36 Collision catastrophique avec fusion finale : gaz en bleu, étoiles en jaune

37 Une collision « faible »: peu de déformations; les rotations des objets sont de sens opposés. NGC 2207 et IC 2163 cliché © NASA- HST

38 Les ponts de matière sont les témoins les plus évidents dun transfert de masse entre deux galaxies au cours dune collision NGC cliché NASA-HST

39 Collision « catastrophique » en cours : déformation des structures des objets, développement dimmenses queues de marée. NGC 4676 « les souris » cliché © NASA- HST

40 La fin dune collision catastrophique: lobjet le moins massif est déstructuré; une immense queue de marée sest formée. UGC cliché © NASA-HST

41 Un cas décole pour les collisions catastrophiques : les Antennes (NGC )

42 Deux simulations numériques indépendantes de NGC qui donnent des résultats pratiquement identiques et conformes à lobservation

43 La fusion de deux galaxies spirales, ou labsorption dune galaxie spirale par un objet plus massif, donnerait généralement, par redistribution du moment angulaire sur des orbites stellaires chaotiques, naissance à une galaxie elliptique géante. Lanalyse fine de nombreuses elliptiques, en apparence bien régulières, a révélé des anomalies variées, qui ne sexpliquent que par un passé tumultueux de cannibalisme ou de naissance violente et … assez récente. On voit souvent un petit disque au centre de lelliptique:tout ce qui reste de la digestion dune spirale (le moment angulaire du disque en rotation a la peau dure…) On voit aussi parfois les « coquilles »...

44 NGC 422, une elliptique à coquilles

45 NGC 1344 NGC 3923

46 Fin de collision «catastrophique»: fusion en cours, vers la formation dune galaxie elliptique géante Centaurus A cliché © ESO - VLT

47 Les « coquilles » de Centaurus A, témoins résiduels dun passé de cannibalisme … cliché © NOAO

48 Les collisions catastrophiques, lorsquelles mettent en jeu un système au moins qui contient du gaz interstellaire, provoquent des flambées spectaculaires de formation détoiles. Le « fluide d étoiles » nest pas « collisionnel » : il na aucune viscosité, les étoiles ne se rencontrent jamais physiquement. Le fluide « gaz interstellaire » au contraire est violemment collisionnel et la friction des nuages de gaz entre eux, leur mise en mouvements supersoniques, provoquent des ondes de choc qui compressent ce gaz et mènent à la formation détoiles, avec des taux très supérieurs à ceux observés en régime normal. La phase finale de fusion crée un objet très lumineux (pendant quelques dizaines de millions dannées) en particulier dans linfrarouge : une galaxie LIRG ou ULIRG

49 cliché Mt Palomar cliché NASA-HST NGC

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52 ULIRG iras cliché composite ACS + Nicmos © NASA-HST

53 les restes de lun des protagonistes sont encore détectables ici...

54 Les « naines de marée » : de nouvelles galaxies dans les ruines des anciennes Les queues de marée emportent une partie considérable de lhydrogène atomique interstellaire des partenaires, parfois à de grandes distances. Des « grumeaux » plus denses peuvent alors sy former par auto-gravité, donnant naissance à des épisodes de formation stellaire intenses et très localisés : de nouvelles galaxies naines se reconstruisent ainsi sur les ruines des systèmes géants impliqués dans la collision.

55 Les « naines de marée » : de nouvelles galaxies dans les ruines des anciennes Arp 105 cliché CFHT

56 Lévolution des amas de galaxies: cannibalisme au centre

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58 Groupe Local : 500 milliards de masses solaires dans un volume denviron 50 millions da.-l. cube Amas de Coma : milliards de masses solaires sous forme de galaxies (?), dans un volume denviron 8 fois le volume du Groupe Local : densité moyenne de galaxies : 12 fois plus forte dans Coma ! Dans les amas de galaxies riches, la probabilité de collision est nettement plus grande que dans les régions de lUnivers à faible densité. Ceci accélère lévolution des amas !

59 amas Hercules (cliché Kitt Peak Obs.) Un amas se peuple par capture de galaxies périphériques attirées par son énorme potentiel gravitationnel. (le Groupe Local est attiré par lAmas Virgo, dans lequel il plongera dans quelques milliards dannées) Parallèlement, le jeu des collisions et des captures/fusions dobjets au sein de lamas, et surtout dans la région centrale à forte densité, dépeuple lamas, notamment en galaxies de faible masse, les plus menacées.

60 Simulation numérique de lévolution de la galaxie centrale dun amas riche par croissance au détriment des objets capturés.

61 galaxie dominante de lamas Abell 3827 en flagrant délit de cannibalisme (CFHT)

62 NGC 1316, elliptique NCG 1275, elliptique supergéante centrale de lamas Fornax de lamas Perseus Clichés NASA - Hubble Space Telescope

63 Détail du Hubble Deep Field Nord : environ 30 x 20 Les interactions et lhistoire du contenu de lUnivers

64 Le Hubble Deep Field Nord première image ultra-profonde de lUnivers extragalactique montrant la population des galaxies de tous âges, probablement depuis lépoque de leur formation (cliché NASA-HST)

65 Lobservation des populations de galaxies faibles à grand décalage spectral (« redshift ») est une manière de remonter le temps vers les origines de lUnivers. Le premier sondage très profond à grande qualité dimage produit par HST, le célèbre « Hubble Deep Field » a révolutionné nos idées sur la formation des galaxies, en donnant une place essentielle aux phénomènes dinteraction et de fusions comme « moteur de lhistoire ». Plus on va profond, plus on remonte le temps, et on voit un Univers de plus en plus petit, parce quon « remonte lexpansion à lenvers ». Dans ce petit (!) Univers du passé (lointain), la quantité de matière ordinaire (les protons) est la même mais sa densité est plus forte, le volume étant plus petit. Et les galaxies formées il y a douze milliards dannées avaient de fortes chances de se rencontrer.

66 HST Ultra Deep Field Composite 4 couleurs de clichés ACS sur HST sur un champ profond

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68 HST Ultra Deep Field détail Cliché NASA-HST

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70 Sont-ce les ancêtres peu massifs de nos galaxies géantes, lentement construites par accrétions, fusions, cannibalisme mutuel ?….

71 13 Gyr11 Gyr 6 Gyr 9 Gyr 10 Gyr

72 et pour terminer, pour la première fois à lécran, notre destin illustré:

73 comment Voie Lactée et Nébuleuse dAndromède finiront par fusionner en une seule elliptique géante, dans 3 milliards dannées environ…. (film dhorreur de durée : 6 minutes, personnes sensibles sabstenir)

74 Fin (cest bien le cas !)


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