Les Galaxies Connaître le système de classification

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1 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

2 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

3 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)

4 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 ?

5 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)

6 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 ???)

7 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

8 Le débat Shapley-Curtis
Shapley sort gagnant ! Résolution de la controverse ( 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 = D = 275 kpc aujourd’hui m – m0 = D = 660 kpc

9 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)

10 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))

11 Système de Hubble (1936)

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

13 Elliptiques (E) E0 M89

14 Elliptiques (E) E1 M87

15 Elliptiques (E) E2 M32

16 Elliptiques (E) E5 M59

17 Elliptiques (E) E5 NGC 205

18 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

19 Lenticulaires SB0 M102 S0 NGC 2859

20 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

21 Spirales - Sa M64

22 Spirales - Sb M88 NGC 4565 M81

23 Spirales – Sc M 83 NGC 4414 M101 NGC 891

24 Spirales – Sd IC 5249 NGC 7793

25 NGC 3109 Spirales - Sm

26 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

27 GR 8 Irrégulières - Im IC 5152

28 Spirales – SBa NGC 4650 NGC 1433

29 Spirales – SBb NGC 1530

30 Spirales – SBc M 106

31 Spirales – SBd NGC 4631

32 LMC (Sm) – SMC (Im) LMC SMC

33 Naines Sphéroïdales Leo II Carina

34 Pec. – Centaurus A

35 Pec. – M82 (NGC 3034) M 81 M 82

36 Pec. – NGC 3718

37 Pec. – NGC 2146

38 Pec. – NGC 4038-9 – The Antennae

39 Pec. – Ring Galaxies

40 Pec. – Cartwheel

41 Pec. Polar Ring Galaxies

42 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

43 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

44 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

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

46 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)

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

48 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

49 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

50 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

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

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

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

54 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

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

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

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

58 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

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

60 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

61 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

62 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’

63 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 ??

64 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

65 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) !

66 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

67 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 * !

68 Galaxies Seyfert

69 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

70 Cygnus A

71 Jets & coeur

72 Centaurus A

73 Double lobes

74 Images optiques

75 M 87

76 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

77 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

78 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)

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

80 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 = al Redshift z=4.3 v=0.92c D = 1.4x1010 al

81 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

82 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

83 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

84 Lentilles gravitationnelles
Croix d’Einstein

85 Lentilles gravitationnelles

86 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

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

88 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)

89 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

90 Signatures de Trou Noir

91 Signatures de Trou Noir
M87

92 Signatures de Trou Noir
Cen A NGC 4438