Les galaxies • Classification • Amas • Collisions • Galaxies actives et quasars

Classification La séquence de Hubble : • elliptiques E0 – E9 • spirales Sa – Sc • spirales barrées SBa – SBc + irrégulières

Propriétés globales Spirales Elliptiques Irrégulières Classification - 2 Propriétés globales Spirales Elliptiques Irrégulières Masse visible (M ) 109 – 1011 106 – 1013 107 – 1010 Diamètre (103 AL) 20 – 150 2 – 500 5 – 30 Etoiles tous âges vieilles tous âges Orbites stellaires circulaires elliptiques Matière interstellaire oui non oui On a d’abord imaginé que la séquence de Hubble représentait un chemin évolutif On ne le pense plus maintenant

Classification - 3 M74 Type Sc (Gemini)

Classification - 4 NGC4565 Type Sb (R. Gendler)

Classification - 5 M81 Type Sab (G. Benintende)

Classification - 6 M104 « Sombrero » Type Sa (HST)

Classification - 7 NGC1300 Type SBbc (HST)

(SSRO/PROMPT et NOAO/AURA/NSF ) Classification - 8 NGC1365 Type SBb (SSRO/PROMPT et NOAO/AURA/NSF )

« nébuleuse d’Andromède » Type Sb et compagnons M32 NGC205 Classification - 9 M31 « nébuleuse d’Andromède » Type Sb et compagnons M32 NGC205 (elliptiques naines) (R. Gendler)

Galaxie principale de l’amas de la Vierge Classification - 10 M87 Elliptique géante (CFHT) Galaxie principale de l’amas de la Vierge

Site de formation active d’étoiles Classification - 11 M82 Irrégulière (HST) Site de formation active d’étoiles Interaction « récente » avec M81

Satellite de notre Galaxie Classification - 12 Naine du Sagittaire Irrégulière naine (HST) Satellite de notre Galaxie

Grand Nuage de Magellan Irrégulière naine + barre Classification - 13 Grand Nuage de Magellan Irrégulière naine + barre (Wei Hao Wang, IfA, Univ. Hawaii) Principal satellite de notre Galaxie

Amas de galaxies Les galaxies ont tendance à se grouper en associations de tailles variables : groupes ou amas • le groupe local contient ~ 30 galaxies dont 2 galaxies importantes il est un satellite de l’amas important le plus proche : • l’amas de la Vierge contient ~ 2000 galaxies dont ~ 100 galaxies importantes • les galaxies elliptiques sont plus nombreuses dans les amas • les galaxies spirales sont plus nombreuses hors des amas

L’amas de la Vierge situé à ~ 18 Mpc Amas de galaxies - 2 L’amas de la Vierge situé à ~ 18 Mpc

L’amas de la Coma situé à ~ 100 Mpc (Jim Misti) Amas de galaxies - 3 L’amas de la Coma situé à ~ 100 Mpc (Jim Misti)

L’amas Abell 1185 situé à ~ 400 Mpc (CFHT) Amas de galaxies - 4 L’amas Abell 1185 situé à ~ 400 Mpc (CFHT)

Amas de galaxies - 5 Grandes structures Les amas de galaxies se regroupent en superamas qui se concentrent en « surfaces » irrégulières (walls) entourant des « bulles » presque vides (taille ~ 1 Mpc) Cette structure est révélée par d’ambitieux projets de cartographie à 3 dimensions de l’Univers : • 2 coordonnées sont déduites de la position de la galaxie sur le ciel • la distance est déduite du décalage spectral vers le rouge → spectres de milliers de galaxies Distribution des galaxies à grande échelle

Les champs profonds de Hubble Amas de galaxies - 6 Les champs profonds de Hubble Hubble Ultradeep Field: Champ dépourvu d’étoiles brillantes 11.3 jours de pose avec ACS (visible) et 4.5 jours avec NICMOS (IR) ~ 10 000 galaxies dans un champ de 36.7 minutes d’arc au carré ↔ ~ 100 milliards de galaxies dans l’Univers observable

Collisions de galaxies • Collisions de planètes : très peu probables d (planètes) ~ 1000 RP • Collisions d’étoiles : encore plus improbables d (étoiles) ~ 10 000 000 R* • Collisions de galaxies : fréquentes dans les groupes et amas d (galaxies) ~ 10 à 100 RGal – peu probable que les étoiles entrent en collision – mais orbites perturbées → certaines étoiles éjectées hors des galaxies (~10 à 30% des étoiles de l’amas de la Vierge)

Collisions de galaxies - 2 M51, galaxie spirale en interaction avec NGC5195, un compagnon moins massif

Collisions de galaxies - 3 Arp295, deux galaxies qui sont passées très près l’une de l’autre, ce qui a provoqué des « queues de marées » (USNO, Flagstaff)

Collisions de galaxies - 4 NGC4038 et 4039, « les antennes », deux galaxies en collision, avec intense formation d’étoiles et spectaculaires « queues de marées » (Daniel Verschatse – Antilhue Observatory)

Collisions de galaxies - 5 NGC520, probablement deux galaxies spirales entrées en collision il y a 300 millions d’années et qui ont presque fusionné (Gemini obs.)

Collisions de galaxies - 6 AM0644−741, avec anneau de diamètre ~ 150 000 AL, siège de formation intense d’étoiles (résultat de collision « frontale ») (HST)

Collisions de galaxies - 7 Galaxie « Cartwheel » (roue de charrette) avec anneau de gaz et formation intense d’étoiles (HST)

Collisions de galaxies - 8 Contours d’hydrogène neutre superposés à l’image optique de la galaxie « Cartwheel » → révèlent un « pont » de matière

Collisions de galaxies - 9 Conséquences des collisions galactiques • Peu de perturbations sur les étoiles, sinon leurs orbites • Perturbations importantes des nuages de matière interstellaire → formation d’étoiles (et plus… voir la suite…) • Simulations par ordinateur : → reproduisent les formes bizarres → collision de 2 spirales finit par donner une elliptique → les elliptiques géantes pourraient toutes résulter de collisions (en accord avec leur prédominance dans les amas) → qu’est devenu le gaz ?

Collisions de galaxies - 10 Simulations de collisions galactiques Il existe des logiciels disponibles permettant de simuler, de manière simplifiée, des collisions de galaxies Ex : « GalCrash » http://burro.cwru.edu/JavaLab/GalCrashWeb/main.html

Galaxies actives et quasars Qu’est-ce qu’un AGN ? AGN = Active Galactic Nucleus = Noyau Actif de Galaxie Certaines galaxies ont un comportement particulier: • centre très lumineux • libération d’une quantité énorme d’énergie dans un petit volume • fortes raies d’émission 4 catégories principales d’AGN: → galaxies de Seyfert, radiogalaxies, blazars et quasars Centre actif de la galaxie NGC1097 (VLT)

Galaxies actives et quasars - 2 Les galaxies de Seyfert 1943 : Carl Seyfert → catalogue qui regroupe les galaxies spirales avec un noyau particulièrement brillant Luminosité des noyaux très variable sur des périodes de moins d’un an → taille < ~1 AL 2 sous-catégories selon le spectre : • Type 1 : continuum intense + raies d’émission permises larges + raies interdites plus étroites (élargissement Doppler moindre) • Type 2 : uniquement raies d’émission étroites Spectres de galaxies de Seyfert

Galaxies actives et quasars - 3 Les radiogalaxies = galaxies elliptiques géantes + fortes émissions dans le domaine radio (10 000 fois plus que les galaxies normales) Pas forcément de contrepartie optique du noyau Ondes radio créées par des électrons très énergétiques en mouvement dans un champ magnétique → radiation synchrotron Radiogalaxie Centaurus A

Galaxies actives et quasars - 4 La radiation synchrotron Particule chargée en mouvement relativiste dans un champ magnétique : → la particule spirale autour des lignes de champ → rayonnement dépendant de l’intensité du champ magnétique et de la distribution de vitesse des particules : Fν ~ ν−α (non thermique)

Parts of the radio galaxy Cygnus A Galaxies actives et quasars - 5 Parts of the radio galaxy Cygnus A Émission radio Flux radio < lobes radio (extension totale ~10 fois supérieure à celle de la galaxie) Lobes parfois reliés au noyau par de fins filaments appelés jets radio (relativistes car composés de particules en mouvement dont la vitesse est proche de c) 2 types : Narrow-Line & Broad-Line Radio Galaxies (NLRG/BLRG) selon l’absence ou non de raies permises larges dans le spectre Radiogalaxie M87

Galaxies actives et quasars - 6 Les quasars Quasar = QUAsi-Stellar Astronomical Radio Source Néologisme introduit dans les années 1950 avec la découverte de fortes sources radio ponctuelles dont certaines sans contrepartie optique À l’époque : nouveau type d’étoiles de la Voie Lactée montrant des raies d’émission ne correspondant à aucun élément chimique connu ? 1963 : Maarten Schmidt découvre que les quasars sont sources très distantes donc très lumineuses → raies d’émission fortement décalées vers le rouge (redshift) Maarten Schmidt

Galaxies actives et quasars - 7 Quasars et QSOs Tous les quasars n’émettent pas dans le domaine radio → quasars radio-loud (radio-forts) & radio-quiet (radio-faibles) → Autre nom pour les radio-faibles : Quasi-Stellar Objects (QSOs) La brillance du noyau et la distance masquent la galaxie hôte → apparaissent ponctuels sauf sur observations à haute résolution Frontière floue entre radio-quiet QSOs et Seyferts → définition adoptée : QSO si MV < −23 Un quasar et sa galaxie hôte (HST)

Galaxies actives et quasars - 8 Quasars et galaxies hôtes On trouve les quasars au centre de galaxies massives de tous types, mais souvent perturbées par des interactions gravitationnelles ~ 60 000 quasars connus ~ 10% sont des émetteurs radio intenses Redshift 0.06 < z < 6.4 → situés entre 800 millions et 13 milliards d’AL → outil précieux pour sonder le passé de notre Univers Galaxies hôtes de quasars (HST)

Galaxies actives et quasars - 9 Spectres des quasars Luminosité ~ 1012 à 1015 fois celle de notre Soleil Distribution spectrale : continuum non thermique (≠ loi du corps noir) → rayonnement synchrotron • Quasars de type 1 : raies larges + étroites • Quasars de type 2 : raies étroites uniquement, continuum plus faible (sont plus rares) ↔ galaxies de Seyfert Spectre typique d’un quasar de type 1

Galaxies actives et quasars - 10 Les blazars BL Lacertae (prototype découvert en 1929) + quasars = blazars Caractéristiques : apparaissent ponctuels à faible résolution, émetteurs radio intenses, hautement variables, situés au centre de galaxies elliptiques 2 sous-catégories : • BL Lac: absence de raies larges • OVV = Optically Violently Variables : présence de faibles raies larges Fluctuations en intensité du blazar 1156+295

Galaxies actives et quasars - 11 Modèle d’unification des AGN Idée de base : Les différents types d’AGN sont des variantes du même phénomène : • à des luminosités diverses • vu sous différents angles Prenant en compte : • l’anisotropie du rayonnement des AGN • l’extinction due à la poussière Vue d’artiste d’un AGN

Galaxies actives et quasars - 12 Ingrédients de base du modèle Au centre d’un AGN : trou noir supermassif (106 à 109 M ) • accrétion de matière • conservation du moment cinétique → matière environnante répartie en un disque d’accrétion (en rotation) • phénomènes de friction qui chauffent la matière → émission d’un continuum → libération de grandes quantités d’énergie Autre vue d’artiste d’un AGN

Énergie rayonnée par les AGN Galaxies actives et quasars - 13 Énergie rayonnée par les AGN Puissance typique d’un AGN : ~1040 W → consomme une masse ~10 M /an (jusque 100 pour les quasars les plus lumineux) • les AGN « s’allument » et « s’éteignent » selon la matière disponible • Si toute la matière aux environs est consommée l’AGN devient invisible et son hôte une galaxie normale • AGN plus nombreux dans le passé • La Voie Lactée a pu passer par un stade d’AGN (probablement assez modéré) Illustration d’un trou noir

Galaxies actives et quasars - 14 Variabilité des AGN Variation du rythme auquel le trou noir est alimenté → variation de luminosité du noyau actif Dépend : • de la présence de matière au voisinage du trou noir • de mécanismes amenant la matière près du trou noir : – barre dans une galaxie spirale – collision entre galaxies

Galaxies actives et quasars - 15 Régions d’émission des raies Nuages de gaz en orbite autour du trou noir → responsables des raies en émission observées dans les spectres • Broad-Line Region (BLR) : nuages denses proches du trou noir → mouvements rapides → grande dispersion des vitesses → raies larges • Narrow-Line Region (NLR) : nuages moins denses et plus loin du trou noir

Galaxies actives et quasars - 16 Autour du trou noir Tore de poussières • entoure les nuages en rotation rapide • situé dans le même plan que le disque d’accrétion • opaque à la lumière visible et UV Éventuels jets radio • particules accélérées le long de l’axe de rotation jusque v ≈ c • décélérées quand rencontrent matière → lobes radio

Galaxies actives et quasars - 17 Effets de l’orientation par rapport à la ligne de visée On observe la BLR : → quasar ou Seyfert de type 1 On n’observe pas la BLR : → type 2 On observe un ou plusieurs jets de profil → Radiogalaxie (NLRG ou BLRG selon le cas) Un jet pointe vers nous → Blazar

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