Faculté des arts et des sciences Département de physique Astronomie Extragalactique Cours 11 : Simulations et observations Structure à grande échelle Paramètres cosmologiques WMAP

Faculté des arts et des sciences Département de physique Modèle standard Le modèle de matière sombre froide (Cold Dark Matter) avec constante cosmologique (ou énergie sombre) CDM est le paradigme actuellement accepté pour expliquer la formation et les structures de lUniversLe modèle de matière sombre froide (Cold Dark Matter) avec constante cosmologique (ou énergie sombre) CDM est le paradigme actuellement accepté pour expliquer la formation et les structures de lUnivers Avec la théorie dinflation cosmique (expansion dun facteur >10 26 à t ~ sec), cette théorie fait une prédiction claire des conditions initiales pour la formation des structures et prédit que les structures vont grossir de façon hiérarchique grâce à des instabilités gravitationnelles (à partir des inhomogénéités observées dans le CMB)Avec la théorie dinflation cosmique (expansion dun facteur >10 26 à t ~ sec), cette théorie fait une prédiction claire des conditions initiales pour la formation des structures et prédit que les structures vont grossir de façon hiérarchique grâce à des instabilités gravitationnelles (à partir des inhomogénéités observées dans le CMB)

Faculté des arts et des sciences Département de physique Large Surveys

Faculté des arts et des sciences Département de physique 2dFGRS 2dFGRS ( 2dF Galaxy Redshift Survey ): spectres de objets (b J < 19.45) couvrant 1500 degrés carrés obtenus au AAT (Colless et al. 2001)2dFGRS ( 2dF Galaxy Redshift Survey ): spectres de objets (b J < 19.45) couvrant 1500 degrés carrés obtenus au AAT (Colless et al. 2001)

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Faculté des arts et des sciences Département de physique 2dFGRS 2dFGRS web page

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Faculté des arts et des sciences Département de physique 2dFGRS CfA survey Coma

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Faculté des arts et des sciences Département de physique SDSS 10 6 spectres / 10 4 degrés carrés = 100 spectres par degré carré! On utilise 2 spectrographes multi- fibres identiques chacun ayant 320 fibres couvrant les longueurs donde de A Chaque spectrographe a deux caméras, une pour le rouge et une pour le bleu avec un détecteur CCD de 2048 x 2048 Maximum de 5760 spectres durant une longue nuit

Faculté des arts et des sciences Département de physique SDSS Spectre du quasar le plus distant (à lépoque) que lon connaisse à z = 5.82

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Faculté des arts et des sciences Département de physique SDSS Les grands surveys permettent de mesurer le spectre de puissance des galaxies P(k) Le spectre de puissance P(k) mesure la strength of clustering on all scales (nombre donde k) P(k) est essentiellement le carré de la transformée de Fourier de la distribution en densité des galaxies Besoin dun grand volume pour létudier sur toutes les échelles et saffranchir des effets de bord La forme et lamplitude de P(k) contraint la formation des structures et leur évolution

Faculté des arts et des sciences Département de physique SDSS

Faculté des arts et des sciences Département de physique 2dFGRS vs SDSS

Faculté des arts et des sciences Département de physique Simulations (projet Millenium) Le projet Millenium est la plus grande simulation de la formation des structures dans la cosmogonie CDMLe projet Millenium est la plus grande simulation de la formation des structures dans la cosmogonie CDM Elle utilise particules pour suivre la distribution de la matière sombre dans un cube 100h -1 Mpc de côté avec une résolution de 5h -1 kpc du redshift z=127 jusquà z=0Elle utilise particules pour suivre la distribution de la matière sombre dans un cube 100h -1 Mpc de côté avec une résolution de 5h -1 kpc du redshift z=127 jusquà z=0 Elle permet létude de la formation et de lévolution de ~10 7 galaxies plus lumineuses que le SMCElle permet létude de la formation et de lévolution de ~10 7 galaxies plus lumineuses que le SMC

Faculté des arts et des sciences Département de physique Simulations (Millenium project) cosmic web

Faculté des arts et des sciences Département de physique Simulations (projet Millenium) La composante de masse dominante, la matière sombre froide (CDM), est supposée être constituée de particules élémentaires qui ninteragissent que par la gravitéLa composante de masse dominante, la matière sombre froide (CDM), est supposée être constituée de particules élémentaires qui ninteragissent que par la gravité Donc, le fluide de matière sombre sans collisions peut être représenté par un nombre discrets de particules ponctuellesDonc, le fluide de matière sombre sans collisions peut être représenté par un nombre discrets de particules ponctuelles La simulation peut prédire les positions, les vitesses et les propriétés intrinsèques de toutes les galaxies plus brillantes que le SMC dans des volumes comparables aux plus grands surveys (2dFGRS, SDSS)La simulation peut prédire les positions, les vitesses et les propriétés intrinsèques de toutes les galaxies plus brillantes que le SMC dans des volumes comparables aux plus grands surveys (2dFGRS, SDSS)

Faculté des arts et des sciences Département de physique Simulations (projet Millenium) La simulation peut montrer les liens évolutifs entre les objets observés à différentes époques.La simulation peut montrer les liens évolutifs entre les objets observés à différentes époques. p.e., la simulation démontre que les galaxies avec un trou noir supermassif au centre peuvent se former très tôt dans lhypothèse CDM et être les hôtes des premiers QSO et que ceux-ci se retrouveront au centre damas riches (cD)p.e., la simulation démontre que les galaxies avec un trou noir supermassif au centre peuvent se former très tôt dans lhypothèse CDM et être les hôtes des premiers QSO et que ceux-ci se retrouveront au centre damas riches (cD)

Faculté des arts et des sciences Département de physique Amoncellement hiérarchique Galaxie mature Galaxie jeune Galaxie en formation HDF

Faculté des arts et des sciences Département de physique Amoncellement hiérarchique Galaxie jeune

Faculté des arts et des sciences Département de physique Amoncellement hiérarchique + mergers Interaction & mergers vont comme (1+z) 4 Interaction & mergers très importants dans le passé Aujourdhui: évolution séculaire plus importante

Faculté des arts et des sciences Département de physique Hierarchical clustering

Faculté des arts et des sciences Département de physique Hierarchical clustering 2dGRS

Faculté des arts et des sciences Département de physique Ce film montre la distribution de matière sombre dans lUnivers présentementCe film montre la distribution de matière sombre dans lUnivers présentement Le film zoom sur un amas de galaxies massifLe film zoom sur un amas de galaxies massif Les échelles vont du Gpc à ~10 kpcLes échelles vont du Gpc à ~10 kpc

Faculté des arts et des sciences Département de physique Visualisation 3-D de la simulation Millennium

Faculté des arts et des sciences Département de physique Rich Clusters Groups Galaxies

Faculté des arts et des sciences Département de physique Simulations (projet Millenium) darkluminous

Faculté des arts et des sciences Département de physique Simulations (projet Millenium)

Faculté des arts et des sciences Département de physique Simulations (projet Millenium)

Faculté des arts et des sciences Département de physique Simulations (projet Millenium)

Faculté des arts et des sciences Département de physique Simulations (projet Millenium) Distribution de la matière sombre Distribution des galaxies lumineuses

Faculté des arts et des sciences Département de physique Simulations (projet Millenium)

Faculté des arts et des sciences Département de physique WMAP et la mesure des anisotropies du rayonnement de fond cosmologique

Faculté des arts et des sciences Département de physique Histoire de lunivers

Faculté des arts et des sciences Département de physique Rayonnement de fond cosmologique Derniers photons diffusés au moment du découplage dû à la re(?)combinaison des e - avec les noyaux Rayonnement de corps noir à K Mesures faites par COBE (rayonnement très isotrope):

Faculté des arts et des sciences Département de physique Anisotropies Différence entre les régions les plus chaudes et les moins chaudes de lordre de K Régions de haute densité au moment de la dernière diffusion plus chaudes, régions de moindre densité plus froides.

Faculté des arts et des sciences Département de physique Origine des anisotropies Variations dans le potentiel gravitationnel dues aux variations de densité créées par des fluctuations quantiques agrandies par linflation. Avant la recombinaison T > 3000K: fluide (plasma) de photons et baryons La gravité tend à comprimer le fluide dans les puits de potentiel des régions de haute densité, et la pression de radiation résiste.

Faculté des arts et des sciences Département de physique Recombinaison Lorsque T < 3000 K, les électrons libres qui emprisonnaient les photons dans le fluide disparaissent pour former les atomes dhydrogène. Les photons quittent les régions de compression ou de raréfaction à cette époque (dernière diffusion) régions de haute ou de basse température dans le rayonnement de fond. Les pics forment une série harmonique en nombre donde Les photons subissent aussi un redshift quand ils sortent des puits de potentiel.

Faculté des arts et des sciences Département de physique Modes des ondes acoustiques Depuis linflation jusquà la recombinaison (~ ans), les ondes ont pu osciller un certain nombre de fois avant de geler. Chaque mode donne une grandeur caractéristique entre les extrema, traduite en angles vus sur le ciel (1° pour le premier mode et plus petit pour les autres). Il est usuel dexprimer les anisotropies de température du rayonnement de fond sur le ciel comme une expansion en harmoniques sphériques:

Faculté des arts et des sciences Département de physique Décomposition en multipôles

Faculté des arts et des sciences Département de physique Pics Au temps de recombinaison, les pics pairs sont au maximum de raréfaction, les pics impairs, au maximum de compression Les positions des pics de ce spectre fournissent énormément dinformations.

Faculté des arts et des sciences Département de physique 1 er pic 1 er pic (k = / s): 1 ere compression lors de la dernière diffusion. Pour un univers ouvert, lhorizon sonique va correspondre à un angle plus petit… Détemination de la courbure selon la position du premier pic ! Détemination de la courbure selon la position du premier pic !

Faculté des arts et des sciences Département de physique 2 ème pic Plus le nombre de baryons est grand dans le plasma, plus la compression est grande par rapport à la raréfaction. Le rapport entre le 1 er et le 2 eme pic nous donne le nombre de baryons.

Faculté des arts et des sciences Département de physique 3 ème pic Le troisième pic nous donne le rapport entre matière et radiation. On connaît la quantité de baryons, on connaît la quantité de radiation, on peut donc en extraire la quantité de matière sombre.

Faculté des arts et des sciences Département de physique Pics: résumé plateau Sachs-Wolfe

Faculté des arts et des sciences Département de physique Résultats de WMAP

Faculté des arts et des sciences Département de physique Résultats (WMAP + autres mesures) Lunivers a 13.7 milliards dannées (1%) Premières étoiles: 200 millions dannées Surface de dernière diffusion: ans Contenu de lunivers: –4 % atomes –23% matière sombre froide –73% énergie sombre –Contraintes sur lénergie sombre: constante cosmologique Valeur de la constante de Hubble: 71 km/sec/Mpc (5%) Nouvelle preuve de linflation Univers plat

Faculté des arts et des sciences Département de physique Valeur des paramètres obtenus