Les Galaxies Connaître le système de classification Connaître et décrire les différents types de galaxies Définir la classe des galaxies actives Décrire les propriétés des quasars et des trous noirs

Les Galaxies Œil nu mag.: 6 petit télescope mag.: 15 étoiles/galaxies 100:1 Palomar Schmidt étoiles/galaxies 1:1 CFHT galaxies/étoiles 100:1 quasars/étoiles 10:1 HST/Keck amas glob/étoiles 1:1 Palomar Schmidt CFHT HST Keck

Le débat Shapley-Curtis galaxies Avant 1920, nébuleuses nébuleuses gazeuses Vers 1920, plusieurs astronomes suggèrent que les spirales sont des galaxies extérieures semblables à la Voie Lactée (Curtis) alors que d’autres maintiennent qu’il s’agit de systèmes (stellaires ou gazeux) à l’intérieur de la Voie Lactée (Shapley)

Le débat Shapley-Curtis Un débat est organisé par l’Académie des Sciences de Washington 3 questions débattues: Quelles sont les distances aux spirales ? étoiles Est-ce que les spirales sont composées ou gaz Pourquoi pas de spirales dans le plan de la Voie Lactée ?

Le débat Shapley-Curtis Distances des nébuleuses spirales: arguments pour une petite distance Mesures de von Maanen dans M101 des mouvements propres de rotation (0.02’’/année) Brillance de S Andromedae dans M31 comparée à la Nova Persei arguments pour une grande distance Les mesures de mouvements propres peuvent être en erreur Brillances d’autres novae dans M31 comparées aux novae galactiques (novae vs supernovae)

Le débat Shapley-Curtis Est-ce que les spirales sont composées d’étoiles ou de gaz ? arguments contre l’interprétation stellaire La Voie Lactée dans l’environnement du Soleil a une brillance beaucoup plus faible que les parties centrales des spirales Les régions extérieures des spirales sont plus bleues que les régions centrales (Soleil pas au centre ???)

Le débat Shapley-Curtis Pourquoi pas de spirales dans le plan de la Voie Lactée (zone of avoidance): arguments contre les spirales extérieures Absence suggère influence, comme les larges vitesses de récession Les deux pourraient être expliqués en supposant une nouvelle force de répulsion ! arguments pour les spirales extérieures Plusieurs spirales vues edge-on ont une ceinture centrale de poussière Si la Voie Lactée a une telle ceinture, si le Soleil est au milieu d’une telle ceinture, et si les spirales sont extérieures à la Voie Lactée zone of avoidance Pas d’explication pour les vitesses de récession

Le débat Shapley-Curtis Shapley sort gagnant ! Résolution de la controverse (1923 - Hubble) résout les régions extérieures de M31 en * identifie les * variables mesure la magnitude apparente des céphéides + relation période-luminosité déduit une distance nettement hors de la Voie Lactée Hubble m – m0 = 22.1 D = 275 kpc aujourd’hui m – m0 = 24.5 D = 660 kpc

Classification des galaxies SYSTÈME DE HUBBLE Critères: Importance du bulbe p/r au disque Nature des bras spiraux étoiles Degré de résolution régions HII Lié à la distribution du moment angulaire (formation) Lié au taux de conversion gaz -> étoiles (distance)

Système de Hubble (1936) 4 classes: 2 familles (Sp) Elliptiques (E) Lenticulaires (S0) Spirales (Sp) Irrégulières (Irr) 2 familles (Sp) Normales (A) Barrées (B) 3 types (Sp) a (early/premier) b (intermédiaire) c (late/dernier))

Système de Hubble (1936)

Système de Hubble (1936) Elliptiques Ei a = axe majeur b = axe mineur

Elliptiques (E) E0 M89

Elliptiques (E) E1 M87

Elliptiques (E) E2 M32

Elliptiques (E) E5 M59

Elliptiques (E) E5 NGC 205

Système de Hubble (1936) Lenticulaires S0 ressemble beaucoup à E5 -> E7 Une vue par la tranche montre la trace d’un disque mais sans bras spiraux Souvent nécessaire de faire une analyse détaillée de la distribution de lumière pour distinguer entre une E et une S0

Lenticulaires SB0 M102 S0 NGC 2859

Système de Hubble (1936) Spirales: Sa -> Sm (SBa -> SBm) Le bulbe devient de moins en moins important Les bras spiraux sont plus ouverts (moins enroulés) Les bras spiraux sont plus résolus en régions HII Les bras spiraux ont tendance à se fragmenter

Spirales - Sa M64

Spirales - Sb M88 NGC 4565 M81

Spirales – Sc M 83 NGC 4414 M101 NGC 891

Spirales – Sd IC 5249 NGC 7793

NGC 3109 Spirales - Sm

Système de Hubble (1936) Irrégulières apparence due à la présence de quelques régions HII très brillantes disque sous-jacent (Pop. I vieille) beaucoup plus régulier

GR 8 Irrégulières - Im IC 5152

Spirales – SBa NGC 4650 NGC 1433

Spirales – SBb NGC 1530

Spirales – SBc M 106

Spirales – SBd NGC 4631

LMC (Sm) – SMC (Im) LMC SMC

Naines Sphéroïdales Leo II Carina

Pec. – Centaurus A

Pec. – M82 (NGC 3034) M 81 M 82

Pec. – NGC 3718

Pec. – NGC 2146

Pec. – NGC 4038-9 – The Antennae

Pec. – Ring Galaxies

Pec. – Cartwheel

Pec. Polar Ring Galaxies

Classification de de Vaucouleurs (1959) sous-classes 0/a a ab b bc c Irr sous division de c c cd d dm m Im Classes = Elliptique normale Elliptique géante S0 T -5 -4 -3 -2 -1 Classes = SOa Sa Sab Sb Sbc Sc Scd Sd Sdm Sm Irr T 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Propriétés Globales Galaxies normales Voie Lactée Andromède Sbc Un catalogue jusqu’à une certaine magnitude apparente est dominé par les spirales de premiers types … mais les galaxies de derniers types dominent

Propriétés Globales Galaxies normales elliptiques rouges spirales bleues Les couleurs mesurent la proportion de chacune des populations stellaires dans la Galaxie bulbe disque vieilles Pop II jeunes Pop I

Propriétés Globales Galaxies normales elliptiques pas de gaz S0 -> Sb peu de gaz Sc Irr de plus en plus de gaz

Caractéristiques des galaxies Elliptiques Spirales Irrégulières Composition Population II * rouges Tf >> 109 a. pas de gaz Bulbe Disque * et Gaz Pop. I jeune *bleues Tf < 109 a. Mgaz/M* > 10% Pop. I vieille Tf > 109 a. Mgaz/M* = 1-10% * bleues Dimension (kpc) 1 – 150+ 5 - 50 1 - 10 Luminosité (Lsol) 106 - 1011 108 - 1010 106 - 109

Distribution de masses Plus une galaxie est massive, plus elle tourne rapidement spirale massive: 200-300 km/s Sa spirale peu massive: 50-100 km/s Sm Classification: pas seulement une séquence de luminosité mais aussi une séquence de masse

Distribution de lumière On a vu dans la Voie Lactée que les populations stellaires n’étaient pas distribuées de la même façon On doit s’attendre que dans des galaxies ayant des proportions différentes des populations stellaires, la lumière soit distribuée différemment

Distribution de lumière La distribution actuelle doit garder des traces des conditions initiales au moment de la formation Les conditions initiales qui ont donné une elliptique doivent sûrement être différentes de celles qui ont produit une spirale ou une irrégulière

Distribution de lumière Elliptiques: composées uniquement d’étoiles de Pop II Lumière diminue comme r1/4 la brillance de surface est très concentrée au centre

Distribution de lumière Spirales: bulbe * Pop II & disque * Pop I Lumière du disque diminue exponentiellement m = m0 + 1.1ar 1/a = échelle de longueur = distance diminue de 1 mag.

Distribution de lumière Irrégulières: disque de Pop II Apparence irrégulière due aux régions HII & * jeunes * Pop I vieilles distribuées plus régulièrement

Distribution de lumière Séquence de spirales a -> m Séquence de proportions de plus en plus petites bulbe/disque

Distribution de vitesses Si les étoiles étaient immobiles elles s’effondreraient toutes vers le centre des galaxies Ce sont les vitesses de déplacement (rotation - spirales & dispersion des vitesses - elliptiques) qui contrebalancent les forces gravitationnelles

Distribution de vitesses Spirales: forces centrifuges de rotation vers l’extérieur force de gravité vers l’intérieur 3iè loi de Képler:

Distribution de vitesses P = 2pr/v r = 9 kpc v = 230 km/s R Voie Lactée

Distribution de vitesses Plus une galaxie est massive, plus elle tourne rapidement spirale massive: 200-300 km/s Sa spirale peu massive: 50-100 km/s Sm Classification: pas seulement une séquence de luminosité mais aussi une séquence de masse

Distribution de vitesses Elliptiques: vitesses de rotation faibles (sphérique) Dispersion des vitesses gravité s = 100 km/s R = 100 kpc Mgal = 2 x 1012 Msol

Galaxies Actives AGN (Active Galactic Nuclei) Galaxies Seyfert Radio Galaxies Quasars

développement des radars Galaxies Actives 2iè guerre mondiale développement des radars application des techniques radar en astronomie 1943: découverte de galaxies avec des raies d’émission larges par Carl Seyfert Galaxies de Seyfert 1946: découverte d’une radio source ponctuelle Cygnus A 1948: beaucoup d’autres sources sont détectées

développement des techniques de radio interférométrie Galaxies Actives développement des techniques de radio interférométrie Sydney Cambridge Australie UK 1949: positions ~ 10’ montrent que les radio sources sont associées à des galaxies Virgo A=M87 (15 Mpc) Cen A=N5128 (5 Mpc) 1950: Alfven & Herlofsen suggèrent que la radiation des radio sources est le processus synchrotron

1er lien interférométrique Galaxies Actives 1er lien interférométrique 1951: Graham Smith position de Cygnus A ~ 1’ Baade & Minkowski identifie Cygnus A avec une galaxie particulière Z= 0.06 (~ 250 Mpc) Cyg A > 106 VL en radio Radio Galaxies 1953: Cygnus A 2 lobes D = 2’

Galaxies Actives développement des ordinateurs 1960: période de consolidation – catalogue 3C étendues – 2 lobes 2 types de sources discrètes < 1’’ 1960: 3C48 identifié à un objet d’apparence stellaire spectre indéchiffrable ??

Galaxies Actives ouverture de synthèse développement en électronique radio astronomie se déplace vers les hautes fréquences 1963: 3c273 -> étoile radio ! spectre inexpliqué si z=0.158 Quasars (quasi-stellar radio source) 1963: quasars ne semblent pas obéir à la loi de Hubble cosmologique Redshift gravitationnel

Galaxies Actives 1965: on trouve des sources radio qui varie sur Dt ~ année ? 1965: Sandage trouve des quasars non-radio QSO 1968: nouveau type de sources Dt ~ques jours BL Lac plus énergétiques que les quasars et les radio galaxies objet émettant autant d’énergie radio que plusieurs millions de Voie Lactée mais dont la région d’émission a une dimension de seulement quelques jours-lumière (~système solaire) !

Galaxies Seyfert Galaxies spirales avec un noyau très brillants quelques 100 km/sec raies d’émission larges quelques 1000 km/sec gaz éjecté du noyau à de très grandes vitesses NGC 1566 M 77 NGC 7742

Galaxies Seyfert spectre du noyau d’une galaxie normale raies d’absorption d’origine stellaire noyau plus lumineux que le reste de la galaxie variabilité DT ~ qques mois < 1 année-lumière une région plus petite que la séparation moyenne entre 2 * dans une galaxie spirale émet plus de lumière que 109-1010 * !

Galaxies Seyfert

Radio Galaxies Galaxies elliptiques émettant en radio plus de 100X l’émission radio de la Voie Lactée & 106X plus qu’en optique structure à 2 lobes (Cygnus A) 2 types structure cœur-halo Dt ~ années

Cygnus A

Jets & coeur

Centaurus A

Double lobes

Images optiques

M 87

M 87 Galaxie elliptique au centre de l’amas de la Vierge Jet de matière s’échappe du noyau plusieurs nœuds suggèrent plusieurs événements explosifs et violents Masse (M87) = 100X masse Voie Lactée Observations suggèrent la présence d’un trou noir massif au centre

M87 Galaxie elliptique au centre de l’amas de la Vierge Jet de matière s’échappe du noyau - plusieurs nœuds suggèrent plusieurs événements explosifs et violents Masse (M87) = 100X masse Voie Lactée Observations suggèrent la présence d’un trou noir massif au centre

Quasars Propriétés des quasars ressemblent aux radio galaxies puissantes Optique; objet bleu, non-résolu, très lumineux (-23<MB<-30) [ Voie Lactée MB = -21] Spectre optique montre des raies d’émission larges (Seyfert)

Quasars Quasars proches, on distingue un fuzz suggère que les quasars sont dans des galaxies QSO & Quasars optique radio (même type d’objets)

Quasars Spectre avec raies d’émission UV (La) très fortes – à cause de la très grande distance sont décalées dans le visible Redshift z=1 v=0.6c D = 3-10 103 al Redshift z=4.3 v=0.92c D = 1.4x1010 al

Quasars Redshift z=4.3: on observe le quasar tel qu’il était alors que l’Univers n’avait que 8% de son âge actuel (1 milliard d’années) Observation des quasars lointains nous renseigne sur les propriétés de l’Univers à ses débuts

Quasars puisque les quasars sont à de si grandes distances leur lumière traverse une grande région d’espace inter-galactique avant de nous parvenir une partie de la lumière est absorbée pendant son parcours Nous permet de sonder l’espace intergalactique nuages de gaz froids raies d’absorption

Lentilles gravitationnelles Einstein avait prédit que la lumière devait être courbée en passant près d’une concentration de masse Le phénomène est observé lors de l’éclipse de Soleil de 1919 Permet de mesurer la masse de la lentille même si non visible

Lentilles gravitationnelles Croix d’Einstein

Lentilles gravitationnelles

Classification des galaxies galaxies normales galaxies Seyfert radio galaxies quasars BL Lac Les quasars sont si loin qu’en fait on ne voit que les plus vieux (la lumière des plus jeunes n’ayant pas eu le temps de nous parvenir La lumière nous montre les quasars tels qu’ils étaient il y a plusieurs milliards d’années énergie

Modèle possible - Quasar formation des galaxies raies intenses raies larges formation de super-étoile 103-106 Msol->vie courte explosion gigantesque formation de TN massifs Gaz chauffé T extrêmes tombe vers le TN à grand V

Autre modèle possible Phénomènes les plus violents -> les plus distants (QUASARS) Phénomènes les moins violents -> les plus proches (SEYFERT) Au début de l’Univers -> conditions extrêmes de densité -> collisions et interactions gravitationnelles Maintenant, densité faible à cause de l’expansion (GALAXIES NORMALES)

Modèle unifié des AGN Besoin de la présence d’un trou noir super-massif pour expliquer la luminosité extrême des Quasars La présence de TN au centre de la majorité des galaxies suggère qu’elles ont toutes commencées comme quasars

Signatures de Trou Noir

Signatures de Trou Noir M87

Signatures de Trou Noir Cen A NGC 4438