Les Collisions de Galaxies Frédéric Bournaud Observatoire de Paris / LERMA

Des évènements fréquents Collisions mineures : Une galaxie + 1 naine < 10% - Tous les 2-3 Gyr dans le champ - Continu dans les groupes ex : M-W + GMC Collisions majeures : Galaxies de masses similaires - Exceptionnel dans le champ - Tous les 1-3 Gyr dans les groupes pauvres - Quasi-continu dans les groupes compact

Des collisions aux fusions Ne se produit pas : - Collisions ente étoiles (quelques unes pour 2.1011 étoiles) - Relaxation à deux corps très peu de « croisements » gravitationnels d’étoiles T2C > 10 Gyr Se produit : Friction dynamique - entre les disques stellaires (qqs 10 kpc) - avec les halos de matière noire (qqs 100 kpc) Freinage relatif des deux galaxies Fusion Sauf si vitesse > 500 km/s : collision sans fusion (cas des amas ; rare en dehors)

Fusion et relaxation Conséquences : 1- L’energie cinétique (mouvement relatif) dissipée par friction  énergie interne (chauffage du gaz d’etoiles) dispersion de vitesse augmentée

Fusion et relaxation Départ : 2 galaxies spirales , entrent en collision => fusion par friction Tfusion = T fric dyn = 50 – 300 Myr T dynamique = T orbital = 100 – 600 Myr => La fusion est rapide, accompagnée d’une relaxation violente Conséquences : 1- L’energie cinétique (mouvement relatif) dissipée par friction  énergie interne (chauffage du gaz d’etoiles) dispersion de vitesse augmentée 2- Résidu plus concentré que les disques spiraux profil de Sersic m(r) = mo exp[ -b (r/re)1/n ] n augmente

Des spirales aux elliptiques Collision entre deux spirales de même masse : E dissipée par friction (et chauffage résultant) ≥ E initiale (de rotation) des disques => Système final V/s < 1

Des spirales aux elliptiques Formation d’une galaxie elliptique : Chauffage => Système final V/s < 1 et destruction des disques en rotation Relaxation => Profil final n = 3 – 5 Similaire aux galaxies Elliptiques observées

Des spirales aux elliptiques

Des spirales aux elliptiques Séquence de Toomre

Fusions majeures et mineures Echelle de rapport de masse 1:100 1:10 1:3 1:1 Minor Mergers Major Mergers Cas intermédiaires Formation de galaxies S0 lenticulaires Spirale + Naine => Spirale perturbée: Épaississement, chauffage, alimentation du bulbe… FAIBLES => SPIRALE EARLY-TYPE Spirale + Spirale => Chauffage/Relaxation => ELLIPTIQUE

Fusions successives Fusions 8:1 successives Relaxation et chauffage progressifs : Sb -> S0 (2 fusions) -> Elliptiques (4 fusions)

Elliptiques et populations stellaires magnitude metallicité Pas de « mélange total » des populations stellaires  Gradients de métallicité radiaux ou azimuthaux (fusions majeures uniques)

Effets de marée & réponse du gaz Réponse du gaz au champ de marée : - contrôlée par la position du compagnon - dépend de la position des résonances (dont corotation)

Effets de marée & réponse du gaz Couples positifs/négatifs selon le rayon. => Outflow à l’extérieur de la corotation (s’ajoute au champ de marée) => Inflow dans les régions internes

Effets de marée & réponse du gaz Outflow à l’extérieur de la corotation : queues de marée Inflow dans les régions internes : flambée de formation stellaire

Queues de marée Tadpole Galaxy( HST)

Naines de marée

Naines de marée Arp 105 (Duc et al. 1994) NGC 7252 (Hibbard et al. 1996) Accumulations de matière: – riches en gaz et massives (109MO) – dans les parties externes des queues – formant des étoiles => Galaxies naines en formation ?

Des « mergers » aux « Starbursts » Couples de gravité => Infall de gaz (surtout rencontres lentes et dans le plan) Densité croissante, chocs, …. Starburst - observé - théorique qq soit les facteurs de SFR: densité (Schmidt) seuil dispersion chocs …

Des « mergers » aux « Starbursts » Limitation : Le gaz mobilisé est dans la corotation Cas idéal = corotation à grand rayon => Nécessite un compagnon lent (W) => Existence de résonances internes => L’infall de gaz est stoppé Le gaz n’est pas concentré au-delà des 1-3 kpc centraux

Des « mergers » aux « Starbursts » Limitation : Le gaz n’est pas concentré au-delà des 1-3 kpc centraux => limite la densité, les chocs, la contagion … => starburst modéré SFR max ~ 5 Mo/yr sur les collisions favorables 2eme starburst ? Fin de fusion : les cœurs des deux galaxies sont proches W plus élevé => reprise de l’infall jusqu’au centre Mais : ne mobilise que le gaz du kpc central => pas de starburst plus fort Au mieux : à grand z (peu de bulbe), avec des disques riches en gaz, SFR peut atteindre ~ 15 Mo/yr

Des « mergers » aux « Starbursts »

Des « mergers » aux « Starbursts » Comment expliquer les ULIRGs? Souvent ULIRGs associées aux collisions/fusions…

Des « mergers » aux « Starbursts » Comment expliquer les ULIRGs? Souvent ULIRGs associées aux mergers… Mais pourquoi ces mergers produisent-ils ~100 Mo/yr d’étoiles ? Loi de Schmidt vs. chocs/contagion => ne résout pas le problème Seul modèle l’expliquant : Collisions de galaxies - à faible densité centrale - de type très tardif (sans bulbe) - très stables (pas de barre à z~1)  irréaliste (ou exceptionnel) Pas de réponse satisfaisante actuellement: Facteurs déclanchant la formation stellaires mal compris

Phénomènes nucléaires Formation stellaire centrale => Cœurs / disques nucléaires froids et découplés => mécanismes d’accrétion centrale noyau actif possible + effets de la fusion de trous noirs centraux. (Mayer et al. 2006)

Les collisions de plein fouet Peuvent être sans fusion (V > 500 km/s) Anneaux collisionnels

Les collisions de plein fouet Peuvent être sans fusion (V > 500 km/s) Anneaux collisionnels Effets de « splash » pour le gaz

Formation d’anneaux 1- Collisionnels Passage rapide du compagnon au centre du disque Impulsion radiale oscilations radiales en phase à t=0 de période croissante avec r Anneaux = ondes en expansion Transitoires (sans autogravité) (Appleton & Struck 1996)

Formation d’anneaux 1- Collisionnels

Formation d’anneaux 2- Dissipatifs Rencontres de mouvements radiaux vers l’extérieur (anneaux collisionnels) et vers l’intérieur (retombée diffuse) + dissipation => anneau fixe, self-gravitant, durable ; parfois polaire

Formation d’anneaux 2- Dissipatifs Rencontres de mouvements radiaux vers l’extérieur (anneaux collisionnels) et vers l’intérieur (retombée diffuse) + dissipation => anneau fixe, self-gravitant, durable ; parfois polaire

Formation d’anneaux 3- Résonants Plusieurs anneaux, à des rayons non quelconques Anneaux résonants Ce ne sont pas des collisions de galaxies : - Les résonances varient trop vite dans les collisions - Variations tendent plutôt à détruire ces anneaux

Formation d’anneaux 4- De marée Capture de queues de marée Collision avec ou sans fusion Anneaux de gaz et d’étoiles jeunes. Objet de Hoag

Conclusions Collision => fusion (pas systématique) friction dynamique et chauffage + relaxation => évolution vers les elliptiques (en une ou plusieurs fusions) Marée et couples induits : Queues de marée Flambée de formation stellaire Matière transférée / arrachée aux galaxies : Naines de marée, effets de splash, anneaux. Question principale : quel rôle dans la formation stellaire?