Formation et évolution des Galaxies Conférence Club Astro Antony 26 Mai 2007 Françoise Combes Observatoire de Paris

Galaxies dans l'Univers jeune Voir plus loin, c'est remonter dans le temps Aujourd'hui jusqu'à z~ 6 (ou 95% de l'âge de l'Univers) Galaxies plus nombreuses Formation de plus d'étoiles Noyaux plus actifs

Schéma de formation des structures Fluctuations primordiales fond cosmologique Structures filamentaires simulations cosmologiques Galaxies baryoniques vues avec le HST

Formation hiérarchique des galaxies Les galaxies étaient plus petites et plus nombreuses Selon l'environnement les galaxies évoluent à différentes vitesses

Interactions entre galaxies Ultra-lumineuses toujours des fusions de

Séquence de Hubble (diapason) Séquence de masse, de concentration Fraction de gas

Evolution sur la séquence de Hubble

NGC 1232 (VLT image) SAB(rs)c NGC 2997 (VLT) SA(s)c

Messier 83 (VLT) NGC 5236 SAB(s)c NGC 1365 (VLT) (R')SBb(s)b

Formation de barres étoiles gaz

Temps total: 1.2 Gyr Formation d'anneaux aux résonances

Formation des spirales et des barres

Les galaxies comme disques d'accrétion Les galaxies sont en perpétuelle évolution Tendance à concentrer la matière (moindre énergie) La gravitation est le principal moteur Mais les mouvements de rotation empêchent la matière de se concentrer Dissipation d'énergie (gaz) pour réduire les mouvements d'agitation Formation de spirales pour évacuer la rotation

Profil vertical: cacahuètes COBE, DIRBE Voie Lactée NGC 128 Galaxie cacahuète

N2442 N613 N3351 N5850

NGC 5728 DSS +CFH Optique Adaptative NIR Il peut se former deux barres emboîtées, comme des poupées russes. Ici une barre nucléaire (à droite, champ de 36") au sein de la barre primaire (à gauche, champ de 108"). Les barres secondaires tournent plus vite que les barres primaires

NGC4314 Formation d'étoiles dans l'anneau entourant la barre nucléaire Les barres nucléaires sont surtout visibles en infrarouge, non perturbé par l'extinction

Mk1066 NGC 3081 Barres Nucléaires Télescope Spatial HST NGC 3982

Destruction des barres Les barres concentrent la matière vers le centre Pourtant, dès que 5% de la masse de la galaxie est concentrée dans le noyau, la barre est détruite  Phénomènes d'auto-régulation Avec accrétion de gaz de l'extérieur une barre peut se reformer dans le disque à nouveau instable  3 ou 4 épisodes barrées dans la vie d'une galaxie

Changement de types

Interactions entre galaxies Phénomènes de marée très fréquents Formation de ponts de matière entre les galaxies Fusion entre galaxies Formation hiérarchique des galaxies

Messier 51 et son compagnon NGC 5195 Les premières simulations numériques, dans les années 1970!

Messier 51 couleur DSS 2 Mass NIR Radio, VLA Keel website

Les Antennes Hibbard

Les Antennes HST formation de SSC (Super Star Clusters) Les Antennes, HI Contours obtenus au VLA +BVR colors

Splash de gaz interstellaire HI Messier 81, Messier 82, NGC 3077

Reconstitution de l ’interaction Rapport de masse faible, de l’ordre de qq % Plusieurs passages depuis la formation du Groupe Local Les Nuages avancent devant Contraintes sur la masse de la Voie Lactée V ~200 km/s

Le Courant Magellanique Détecté en hydrogène atomique HI à 21cm de longueur d ’onde Autant de masse de gaz dans le courant que dans le Petit Nuage SMC Le gaz doit avoir été aspiré du Petit Nuage, selon les simulations Putman et al 98

Nuages à grande vitesse tombant sur la Galaxie Origine encore inconnue Leur masse dépend de leur distance Résidus de la formation du Groupe Local? --> très massifs Ou juste chute des Nuages de Magellan? Origines multiples Aussi, effet fontaine après formation de supernovae.. Wakker et al 99

Interaction avec Andromède La galaxie la plus massive du Groupe Local, comparable à la Voie Lactée, n ’est qu ’à 700 kpc Elle se dirige vers nous à 300km/s Sur la base de sa vitesse radiale, le temps d ’approche est de 2 Gyr Mais sa vitesse tangentielle est inconnue Bientôt des mouvements propres avec le satellite GAIA

Simulations de la rencontre avec M31

Simulations numériques La longueur des queues de marée contraint la quantité de matière noire et surtout sa concentration

Ensemble de fusions de galaxies (Hibbard)

Galaxies en anneau Lorsque la collision est de plein fouet, les deux bras spiraux s'enroulent en anneau: onde de densité concentriques

Les anneaux sont décentrés, et ne peuvent se confondre avec les anneaux résonants dans les galaxies barrées De même, un autre phénomène: les anneaux polaires (une fois vus de face..)

La galaxie d’Andromède (M31) Infra-rouge, satellite Spitzer  anneaux Poussières et PAH, anneau interne 40% offset

Simulation numérique N-corps + hydro 106 particules 350pc résolution Une galaxie spirale barrée initialement Puis collision 210 106 ans Rapport masse 1/13

Formation des anneaux polaires soit par fusion de galaxies avec J perpendiculaires Ou par accrétion de gas dans les parties externes cf LMC/MW Forme à 3D de la matière noire?

Formation des Anneaux Polaires Par accretion? Par collision? Schweizer et al 83 Reshetnikov et al 97 Par collision? Bekki 97, 98

Formation des PRG par collision

Formation des PRG par accrétion Bournaud & Combes 2003

Scénario de l’accrétion Capable de former des PR inclinés Gas+stars Gas only NGC 660 contient du gaz Probablement instable par précession Même si self-gravitant Pas dans le scénario du merging NGC 660

Formation des Elliptiques par fusion Fusion de spirales de masse comparable ("major mergers") mais aussi beaucoup de masses plus petites ("minor mergers") Obstacles: le nombre des amas globulaires, la densité dans l'espace des phases au centre des E-gal NGC 7252

HI 21cm Formation de naines de marées (tidal dwarfs)

Coquilles autour de galaxies elliptiques Phénomène très fréquent, NGC 3923: 25 shells jusqu'à 200kpc du centre Alignement perpendiculairement au grand axe, pour les galaxies alongées S'enroulent aléatoirement pour les galaxies rondes en projection

Mécanisme d’ « enroulement de phase » Forme à 3D des galaxies elliptiques? Matière noire?

Gaz dans les coquilles? Jaune: star shells Blanc: HI Bleu: Radio jets Rouge CO obs

Formation de trous noirs massifs Existence de trous noirs de quelques milliards de Msol Phénomène de Noyaux Actifs de Galaxies (NAG ou AGN) Quasars (ou quasi-stars, car objets ponctuels, très loin) 1000 fois la luminosité de la Voie Lactée Galaxies active de Seyfert, LINERS, etc.. Rendement exceptionnel de l'énergie gravitationnelle 10% Mc2

Astrométrie et mouvements propres au centre galactique

Animation du mouvement des étoiles Film du Max-Planck Institut, Allemagne

Animation du mouvement des étoiles, dans le centre de la Voie Lactée

Sursaut Infrarouge du trou noir de la Galaxie 1.7microns, NACO, VLT, 30min, May 2003

Disques d'accrétion et Noyaux Actifs Quelques % des galaxies sont des AGN  2 possibilités 1-seules de rares galaxies ont des trous noirs 2-toutes en ont mais la période active est courte, quelques 10 millions d'années  Solution: 2 est vraie La masse du trou noir est proportionnelle à la masse du bulbe, 0.2 %

Ejection de plasma: lobes radio Cygnus A

Lobes Radio et Galaxie visible

Trou Noir en rotation: origine des Quasars?

Microquasars

Trous noirs binaires Une galaxie géante aujourd'hui est le résultat de ~10 fusions durant l'âge de l'Univers Lorsque deux galaxies fusionnent, leurs trous noirs tombent au centre par friction dynamique Durée de vie du système binaire? Effet de fronde d'un troisième trou noir?

Collision entre deux trous noirs, formation d'un trou noir binaire Formation de 4 jets avec deux trous noirs massifs

OJ287, courbe de lumière 100 ans Cartes VLBI du jet de 1928+738 oscillations dues au moouvement orbital du trou noir binaire, période 3.2 an

Galaxies hôtes de quasars

Histoire de la formation des étoiles z=0 Gallego et al (1995) z < 1 CFRS data (Flores et al 99) empty circle Yan et al 99 z>1 Pettini et al 98, HST

Simulations numériques Avec des fluctuations postulées au départ, gaussiennes, le régime non-linéaire peut-être suivi Surtout pour le gaz et les baryons (CDM facilement prise en compte par des modèles semi-analytiques, à la Press-Schechter)

Quasars Etoiles Densité des quasars radio (Parkes flat-spectrum) Les quasars optiques suivent la même courbe très similaire à l'histoire de la formation d'étoiles

Epilogue Les galaxies sont en pleine évolution Les disques se forment en premier, et servent à concentrer la matière, former les bulbes Les disques se renouvellent sans cesse par accrétion de gaz externe Les trous noirs massifs se forment de la même façon que les bulbes -- évolution interne par les barres/spirales, -- externe par les interactions entre galaxies l'Univers était plus actif autrefois