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Dynamique des galaxies Confrontation aux Observations
Eric Emsellem CRA Lyon
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I – Observables II – Quelques faits marquants III – Techniques de modélisation IV – Perspectives et conclusion
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I- Observables I(l,x’,y’) Spectre I(l,x,y,z) En un point du ciel
Projection x y En un point du ciel I(l,x’,y’) x’ y’ Convolution par la PSF Seeing I(l,x’,y’)
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Le problème inverse I(l,x’,y’) Spectre I(l,x,y,z)
Déprojection x y En un point du ciel I(l,x’,y’) x’ y’ Déconvolution par la PSF Seeing I(l,x’,y’)
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Les différents traceurs: Le gaz
90% H, 10% He Formes neutre, moléculaire, ionisé Masse Nuage Densité T Orion HI 5 109 0.1 – 10 10 000 1 – 5 109 10 5 107 40 HII H2 Poussière Msol Msol cm-3 (K)
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Le gaz HI Raie de transition hyperfine à 21 cm
Pôles alignés (+haute énergie) Pôles opposés (+basse énergie) Transition rare mais gaz abondant
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Le gaz HI - Cartographie
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Le gaz HI - Cartographie
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Le gaz HI Profils de vitesse Sofue et al.
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Le gaz HI Diagramme Position - Vitesse
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Le gaz HI - Cinématique NGC 253 – Observations HI Koribalski et al.
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Le gaz ionisé: Ha Spectre dans le visible
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Le gaz ionisé: Ha Comparaison HI / Ha
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Le gaz ionisé: Ha Champ de vitesse Khoruzhii et al.
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Les étoiles Raies en absorption Déconvolution:
galaxie Raies en absorption étoile triplet du Calcium Déconvolution: G = S* LOSVD G = S* LOSVD LOSVD : Line Of Sight Velocity Distribution l [ang] LOSVD V [km/s]
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Populations différentes
Les étoiles Problèmes de populations (template mismatching) Populations différentes = Dynamique différente Déconvolution: G = Si ai Si* LOSVDi G = Si ai Si* LOSVDi
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Spectroscopie d’ouverture
Vitesse, Dispersion de vitesse …
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Spectroscopie longue-fente
Profils cinématiques
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Spectroscopie intégrale de champ
On obtient un spectre à chaque position
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Spectroscopie intégrale de champ
Dispersion Vitesse Flux
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II – Historique Quelques Faits marquants
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II- Historique Quelques faits marquants
L’observation du HI – Tully Fisher Fornax / Abel 1367
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II- Historique Quelques faits marquants
L’observation du HI – La matière noire
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II- Historique Quelques faits marquants
Les galaxies elliptiques Bertola & Capaccioli 1975
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II- Historique Quelques faits marquants
Les masers H2O NGC 4258 Miyoshi et al. 1995
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II- Historique Quelques faits marquants
Les masers H2O Vitesses: ±1000 km/s Trou noir: Msol NGC 4258 Miyoshi et al. 1995
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II- Historique Quelques faits marquants
Le centre galactique
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II- Historique Quelques faits marquants
Le centre galactique Image Infra-rouge
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II- Historique Quelques faits marquants
Les mouvements propres Eckart, Genzel et al.
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II- Historique Quelques faits marquants
Traceurs…
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III – Techniques de modélisation
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III – Techniques de modélisation
Ondes de densité Anneaux représentant un gauchissement
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III – Techniques de modélisation
Ondes de densité: spirales
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III – Techniques de modélisation
Ondes de densité: spirale M 81 (Canzian 93, données HI de Visser)
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III – Techniques de modélisation
Ondes de densité: spirale M 81 (Canzian 93, données HI de Visser)
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III – Techniques de modélisation
Vers la fonction de distribution f(X,V,t) Calculer les moments de la fonctions de distribution
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III – Techniques de modélisation
Modèles de Jeans – Cas sphérique Correction de l’aplatissement Masse du trou noir: Msol Kormendy et al. 1996
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Modèles photométriques: examples
NGC3379 NGC4473 NGC4621
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III – Techniques de modélisation
Modèles de Jeans – Cas axisymétrique NGC 3115 – S0
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III – Techniques de modélisation
Cas axisymétrique: Hunter & Qian
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III – Techniques de modélisation
Modèles HQ NGC 3115 – S0
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III – Techniques de modélisation
Modèles HQ – le trou noir central Masse du trou noir: Msol NGC 3115 – S0
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III – Techniques de modélisation
Modèle HQ – LOSVDs et couverture 2D NGC 3115 – S0
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III – Techniques de modélisation
Programmation quadratique – Le halo noir NGC 3115 – S0
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III – Techniques de modélisation
Méthode de Schwarzschild Brillance de surface Cinématique Densité de surface M/L Densité spatiale Potentiel Matière Noire 2 de l’ajustement NNLS Librairie d’Orbites Superposition optimale d’orbites Observables pour chaque orbite
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Conditions initiales des orbites: L’Energie
Théorème de Jeans Echantillonner les orbites à travers leurs intégrales Energie E Grille logarithmique en rayon circulaire grille en E Domaine radial suffisant pour couvrir toute la masse
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Conditions initiales des orbites: Le moment angulaire
Moment angulaire Lz Grille linéaire du minimum Lz (=0, orbite radiale) au maximum Lz (orbite circulaire) à cette Energie
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Conditions initiales des orbites: la troisième intégrale
Cretton et al. 1999 Troisième intégrale I3 Paramétrisée avec un angle initial atan(zzvc/Rzvc) sur la ZVC, du minimum I3 (=0, orbit planaire) au maximum I3 (orbit tube fine) à ces valeurs de E et de Lz Conditions initiales:
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Intégration de l’Orbite
Intégrer nE x nLz x nI3 orbites et enregistrer sur: Grille polaire intrinsèque: Densité (r,) , moments de vitesse Grille polaire projetée: Densité (r’,’) Grille cartésienne projetée: Densité (x’,y’) , LOSVD VP(x’,y’,v’) Enregistrer les contributions fractionnelles en une …..
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Observables et contraintes
Matrice Orbitale Vecteur contraintes Photométrique: Modèle de masse, intégré sur les cellules de la grille, normalisé par la masse totale de la galaxie Cinématique: Ouvertures avec au plus 6 moments de Gauss-Hermite
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Résoudre le problème matriciel
Problème type moindres-carrés: Trouver les poids orbitaux, vecteur j>0, qui donne la superposition i j Oij la plus proche de Dj NNLS ou toute autre méthode de moindres carrés La qualité de l’ajustement est donnée par:
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Constraindre MTR et le M/L
Calculer une librairie d’orbites pour des valeurs différentes de MTR et du M/L Résoudre le problème matriciel pour chaque modèle (NNLS) Tracer les contours de c2 Mbh M/L 3s
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La galaxie compacte M32 (E3)
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La galaxie compacte M32 (E3)
Petit compagnon – inactif – de la grande galaxie d’Andromède (M31) Plusieurs travaux suggère la présence d’une masse centrale noire Etude la plus poussée: Modèle de Schwarzschild axisymétrique utilisant des données longue-fente (sol) et la spectro d’ouverture HST/FOS (van der Marel et al. 1997, 1998) Résultats: (M/L)V=2.0 ± 0.3 MTR=(3.4 ± 0.7)x106 Mo 55o < i < 90o Des données STIS/HST (longue-fente) viennent d’être publiées par Joseph et al. (2001)
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M32: Modélisation dynamique avec les données SAURON
STIS V h3 h4 V h3 h4 Nouvelles données: Cartes SAURON dans les 9”x11” centrales (de Zeeuw et al. 2001) Données STIS le long du grand axe (Joseph et al. 2001)
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M32: Paramètres du meilleur ajustement
Contraintes fortes sur M/L, MBH, i MBH en accord avec van der Marel et al. 1998 Niveau 3 (Verolme, Cappellari et al. 2002)
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M32: Importance de la spectro 2D
Niveau 3 SAURON + STIS 4 fentes + STIS Paramètres du modèle et dynamique interne fortement contraintes
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NGC 821: Schwarzschild DONNEES MODELE RESIDUS
- Le champ de vitesse est bien reproduit par le modèle Mc Dermid et al. 2002
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Résultats pour NGC 821 M / L très bien contraint
Vitesse (km/s) Dispersion (km/s) M / L très bien contraint La masse du trou noir non contrainte
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Distribution dans l’espace des phases pour NGC 821
Composante distincte autour de R~10’’ Cohérent avec le disque vu dans la photométrie Comparaison de la cinématique Ca / Hb implique que l’age du disque est > 6 Gans Rotation faible = fusion 1:3 sans dissipation? Mc Dermid et al. 2002
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III – Techniques de modélisation: modèles N corps + SPH
Modèles non statiques Possibilité d’inclure du gaz de manière autocohérente Mais Modèles génériques Possibilité d’un « ajustement » dans des cas très spécifiques Difficulté de résoudre les échelles trop différentes
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Modèles N corps: Exemples
Interactions Vollmer et al.
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Modèles N corps: Exemples
Interactions Hibbard & Barnes
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Modèles N corps: Exemples
Interactions Hibbard & Barnes
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Modèles N corps: Exemples
Interactions Hibbard & Barnes
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Modèles N corps: Exemples
Fusions de deux galaxies elliptiques
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Modèles N corps + SPH: Exemple
Barres – La Voie Lactée Simulations N corps + SPH de R. Fux
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Modèles N corps + SPH: Exemple
Barres – La Voie Lactée Simulations N corps + SPH de R. Fux
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Modèles N corps + SPH: Exemple
Barres – La Voie Lactée Simulations N corps + SPH de R. Fux
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III – Techniques de modélisation: modèles N corps + SPH
Double barres NGC 5850 Wozniak et al. 95, A&AS 111, 115
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Barres secondaires Etoiles Gaz t N corps + SPH (D. Friedli)
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Cinématique 2D des barres secondaires
Modèle N corps + SPH OASIS/CFHT Stars Gas NGC 2859
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Modèles N corps + SPH Ondes de densité M 31 s bande I V TIGER / CFHT
WFPC2 / HST TIGER / CFHT
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Les 10 pc centraux de M 31 V s STIS / HST Kin. axis STIS
Bulge subtracted kinematics V s Kinematical axis KB99 FOC STIS OASIS + PUEO / CFHT Kin. axis STIS arcsec
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Un mode m=1 képlerien? Pattern speed Vue de face « observé »
Major-axis Minor-axis BH: Msol Disk: 20-40% de la masse totale Pattern speed: km/s/pc (fréquence orbitale: 250 km/s/pc) Temps de vie: > 3000 rotations ~ ans coupes
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Zoomons sur M 31… F814W 5 pc HRCAM arcsec gas flow model kpc
Berman 01, A&A 371, 476 5 pc HRCAM gas flow model kpc Modèle de l’absorption kpc
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IV – Perspectives et Conclusions
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Une illustration… Quelles problèmes à résoudre? Quels instruments?
Quels outils de modélisation? Une illustration…
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Galaxies 'Axisymétriques'
Cinématique alignée avec le grand axe Rotation ‘normale’
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Galaxies 'Triaxiales' Non alignement des axes photométriques et cinématiques
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Galaxies à dynamique complexe
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La photométrie est-elle un bon indicateur?
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Coeurs cinématiquement découplés
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IV – Perspectives et Conclusions
La matière noire ? Morphologie / dynamique des galaxies à z > 0 ? Rôles des composantes (barres, trous noirs, modes m=1, …) Couverture multi longueurs d’onde Couverture multi échelle Couverture 2D Généraliser les modèles Lier Dynamique et Chimie!
