Une galaxie, comment ça tourne? Comment se repérer dans l’espace (distances et vitesses) Découverte de la rotation des galaxies et de la structure spirale La machine galactique, évolution des galaxies Environnement, interactions Cyclope - 14/03/2000

Se repérer dans l’espace Mesurer les distances Parallaxe: Chandelle standard: Décalage spectral: Déplacement des étoiles proches relativement aux plus lointaines en fonction du point de vue (effet stéréoscopique) Quelques milliers d’années-lumière Etoiles dont la luminosité (puissance) peut être obtenue sans connaître leur distance (étoiles pulsantes Céphéides) Quelques millions d’années-lumière A cause de l’expansion de l’univers, la lumière qui nous provient des galaxies lointaines est rougie proportionnellement à leur éloignement A priori à l ’infini, mais on ne parle plus de distances... Cyclope - 14/03/2000

Se repérer dans l’espace Mesurer les vitesses Une seule méthode: l ’effet Doppler Cet effet ne permet de mesurer que les vitesses radiales c’est à dire dans la direction de l’observateur. Cyclope - 14/03/2000

Premières observations de galaxies Au 18ème siècle, pour éviter de fausses découvertes de comètes, Messier entreprend le premier catalogue d’objets nébuleux. Parmi ces objets se trouvent des galaxies, bien qu’à l ’époque elles ne soient pas identifiées comme telles. Cyclope - 14/03/2000

A la découverte de notre voisinage Cyclope - 14/03/2000

La structure spirale de la Voie Lactée Les étoiles et amas proches ne sont pas distribués au hasard, mais suivant des structures allongées et « concentriques ». Cyclope - 14/03/2000

La structure spirale de la Voie Lactée Principe de la reconstruction des positions à l ’aide de la vitesse. Les bras spiraux de la Voie Lactée Diagramme Position-Vitesse du plan Galactique. Cyclope - 14/03/2000

La structure spirale dans les autres galaxies M83 SABc M100 SABbc NGC 1365 SBb M 31 Sb NGC 2997 Sc NGC 1313 Sd-Irr Cyclope - 14/03/2000

Quelques définitions... Unités: Echelles caractéristiques Disque 1pc = 3.08 1016 m Notre plus proche voisine (M31 ou la galaxie d’Andromède = 731 kpc) Amas de la Vierge = 18 Mpc « Inter-bras » Bulbe central Disque galactique Bras spiraux Traînées de poussière interstellaire Cyclope - 14/03/2000

Toutes les galaxies spirales tournent... La cause de la rotation des galaxies est la force de gravité. Mais la matière qui donne naissance à cette force reste mal connue... En jaune, courbe de rotation attendue du fait de la matière connue En rouge, courbe observée Matière noire Cyclope - 14/03/2000

Une autre structure en rotation: la spirale La spirale, où se concentrent les étoiles bleues, est une seconde structure en rotation dans le disque des galaxies. Mais contrairement aux étoiles, ça n’est pas une structure physique. C’est une onde, et elle tourne à une vitesse différente de celle des étoiles. Cyclope - 14/03/2000

Exploration de la structure spirale Composite Visible proche-infrarouge (1.25µm) M 51 Dans le visible et le proche infrarouge, la spirale est assez diffuse, on distingue le disque de la galaxie Cyclope - 14/03/2000

Exploration de la structure spirale Recombinaison de l'Hydrogène (H) Ultra-violet non-ionisant Dans l’ultra-violet, on ne voit plus que la spirale, et elle est très fragmentée. Cyclope - 14/03/2000

Le diagramme H-R Plus une étoile est lourde et jeune, plus elle est chaude, plus elle émet de rayonnement ultra-violet. Les cartes de galaxies en ultra-violet nous montrent les régions où se forment les étoiles. La structure spirale matérialise les régions de formation stellaire Soleil Couleur Cyclope - 14/03/2000

Formation stellaire: la machine galactique La structure spirale nous désigne le lieu où se forment les étoiles d’une galaxie. Cette structure se déplace dans la galaxie. De ce fait, la matière entre et sort de la structure spirale de façon régulière. C’est le cycle de la matière galactique, la base de l ’évolution des galaxies. Quels sont les ingrédients de ce cycle? Comment fonctionne-t-il? Comment se régule-t-il? Cyclope - 14/03/2000

Ingrédients de base: le gaz atomique Niveaux de gris: gaz atomique le disque stellaire a un diamètre de 10 minutes d'arc NGC 628 Contours: gaz atomique Niveaux de gris: disque stellaire Le disque de gaz est 3 à 4 fois plus étendu que le disque stellaire Cyclope - 14/03/2000

Ingrédients de base: gaz moléculaire Contours: gaz moléculaire M 101 Niveaux de gris: étoiles Contours: gaz moléculaire Le gaz moléculaire se trouve principalement à l'intérieur du disque stellaire Cyclope - 14/03/2000

Principe de la formation d’étoiles Au passage du bras, le gaz est comprimé. La compression déclenche la formation d’étoiles. Avant la sortie du bras, les plus massives explosent en supernova. En sortie du bras, seules les étoiles de faible masse, à durée de vie longue, survivent. Cyclope - 14/03/2000

Détail des régions de formation stellaire Stratification du milieu interstellaire autour d'étoiles massives Cyclope - 14/03/2000

Détail des régions de formation stellaire Exemple de deux régions de formation d’étoiles massives et de leur impact sur l’environnement Cyclope - 14/03/2000

Mécanismes d’auto-régulation • "Destin" d'un nuage de gaz dans une galaxie: l'effondrement (malgré la présence de champ magnétique et/ou turbulence) • "But" de la galaxie: retarder cet effondrement (perdurer) - Empêcher le nuage de perdre son énergie - Injecter de l'énergie Meilleur moyen: former des étoiles, sources d'énergie radiative d'énergie cinétique Source principale: Les étoiles massives (les plus chaudes) qui terminent leur vie en SuperNovae Cyclope - 14/03/2000

Mécanismes d’auto-régulation Les différentes voies de transfert de l'énergie émise par les étoiles • Ionisation du gaz hn> 13.6 eV absorbé par le gaz près des étoiles - création des régions HII (émission Ha) - excitation collisionnelle (e-) des raies de structure fine Forte influence du spectre stellaire et de la densité • Photo-dissociation l'UV non-ionisant dissocie les molécules - destruction des nuages moléculaires Chauffage de ce gaz par collision avec e- • Chauffage de la poussière La poussière peut absorber le rayonnement de l'UV au visible Elle est source d'électrons de "chauffage" pour le gaz Cyclope - 14/03/2000

Mécanismes d’auto-régulation Sources: - Explosions de supernovae - Vents d'étoiles Explosion de Supernovae Génère l'expansion d'une bulle de gaz chaud (et enrichi) Développement d'instabilités à l'interface avec le milieu ambiant Chauffage Injection d'énergie Dispersion du milieu interstellaire Injection/accélération des rayons cosmiques Interaction avec le milieu interstellaire à grande échelle Cyclope - 14/03/2000

Mécanismes d’auto-régulation: un exemple Région de formation stellaire massive dans le Grand Nuage de Magellan 30 Doradus En rouge, gaz ionisé observé en rayons X: 1 million de K En vert, recombinaison de l’hydrogène: quelques 10000 K En bleu, émission dans l’ultra-violet: étoiles massives Formation d’un amas globulaire Cyclope - 14/03/2000

Mécanismes d’auto-régulation Pour équilibrer l'influence des étoiles il existe une série de mécanismes intervenant aux interfaces des différentes phases Exemples • contre la dissociation re-formation des molécules à la surface des grains mécanisme d'auto protection (effet de densité) • contre l'ionisation recombinaison (effet de densité) • contre le chauffage du gaz Existence de raies de refroidissement efficaces ([CII], [OI]) L'équilibre entre ces différents mécanismes règle l'évolution du taux de formation stellaire et donc celle de la galaxie Cyclope - 14/03/2000

L’environnement galactique: perturbations... Tant qu’une galaxie est isolée, les mécanismes décrits précédemment lui permettent de contrôler son évolution. Mais les galaxies sont rarement isolées... le groupe local Cyclope - 14/03/2000

Interactions gravitationnelles M 82 M 81 Visible La gravité arrache le gaz des galaxies satellites, perturbe leurs mécanismes internes et déclenche des flambées de formation stellaire Radio Cyclope - 14/03/2000

Interaction gravitationnelle: ici aussi! Notre galaxie détruit lentement ses deux plus proches voisins: les Nuages de Magellan Cyclope - 14/03/2000

Interaction gravitationnelle: collisions La collision de deux galaxies spirales entraîne les sursauts de formation stellaire les plus violents de l’univers. Les structures en « antennes » sont le signe indubitable de l’interaction gravitationnelle. Cyclope - 14/03/2000

Quand la densité augmente: groupes et amas Les groupes sont des ensembles d’une dizaine de galaxies. Certains sont « dilués » comme le nôtre. D’autres sont compacts et les effets d’interaction y sont nettement plus violents Noter l’apparition de galaxies elliptiques (possible résultat de la fusion de galaxies spirales) Cyclope - 14/03/2000

Quand la densité augmente: groupes et amas Les amas de galaxies renferment un nombre très important de galaxies elliptiques dont on pense qu’elles proviennent de la fusion de plusieurs galaxies Amas de la Vierge Amas de Coma Cyclope - 14/03/2000

Evolution des amas: harcèlement galactique Au cours du temps, les spirales disparaissent, au profit des elliptiques: elles sont détruites par interaction gravitationnelle et leur gaz est entièrement transformé en étoiles. Coma, 300 kpc, aujourd’hui Un amas, 300 kpc, il y a 4 milliard d’années Cyclope - 14/03/2000

Evolution des galaxies: simulations Collision asymétrique Collision symétrique Cyclope - 14/03/2000