Structure et Evolution de l’Univers

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1 Structure et Evolution de l’Univers
Françoise Combes Observatoire de Paris CNED, 24 Mars 2010

2 Structure et évolution de l'Univers
Notre position dans l'Univers Distribution fractale des galaxies Fond cosmologique à 3K Big-Bang, Inflation Formation des galaxies Simulations Numériques Matière Noire, Energie Noire

3 Densité des structures dans l’Univers
Système solaire g/cm3 Voie Lactée g/cm3 Groupe Local g/cm3 Amas de galaxies g/cm3 Superamas g/cm3 Densité des photons (3K) g/cm3 Densité critique (W=1) g/cm3

4 Tailles dans La Galaxie
Etoiles, R=15kpc= al Gaz, R=50kpc 1AU = cm 1pc = cm 1pc =2 105 AU

5 Amas et superamas proches (Jarrett 2004)

6 Gott et al (03) Carte Conforme Logarithmique "Grand Mur" Great Wall SDSS 1370 Mpc 80% plus long que le Great Wall CfA2

7 Grands surveys de galaxies
CfA spectres de galaxies ( ) SSRS2, APM.. SDSS: Sloan Digital Sky Survey: 1 million de spectres de galaxies images de 100 millions d'astres, Quasars 1/4 de la surface du ciel (2.5m telescope) Apache Point Observatory (APO), Sunspot, New Mexico, USA 2dF GRS: Galaxy Redshift Surveys: spectres de galaxies AAT-4m, Australia et UK (400 spectres par pose)

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10 Comparaison du CfA2 et SDSS (Gott 2003)

11 Structures fractales dans l’Univers
Les galaxies ne sont pas distribuées de façon homogène mais selon une hiérarchie Les galaxies se rassemblent en groupes, puis en amas de galaxies eux-mêmes inclus dans des superamas (Charlier 1908, 1922, Shapley 1934, Abell 1958). En 1970, de Vaucouleurs propose une loi universelle Densité µ taille -a avec a = 1.7 Benoît Mandelbrot en 1975 crée le nom de « fractal » extension aux structures de l’Univers Régularité et ordre dans le chaos

12 Paradoxe d’Olbers Pourquoi le ciel est-il noir?
Dans l’Univers hiérarchique de Charlier, la condition est Ri+1/Ri > Ni+1 Ou bien, dans le cadre des fractals D > 1 car (Ri+1/Ri)D = N Projection de fractals avec D > 2  projection dim=2 Il est donc suffisant, pour que les galaxies ne remplissent pas la surface de l’Univers, que le fractal soit de dimension < 2 En fait, le paradoxe est résolu aussi par le Big-Bang (univers fini dans le temps) et l’expansion (redshift)

13 Densité des structures dans l’Univers
Système solaire g/cm3 Voie Lactée g/cm3 Groupe Local g/cm3 Amas de galaxies g/cm3 Superamas g/cm3 Densité des photons (3K) g/cm3 Densité critique (W=1) g/cm3

14 Principe Cosmologique
Après Copernic, personne ne prétend que nous occupons une position privilégiée Pourtant, la densité décroît autour de nous Principe Cosmologique: isotropie et homogénéité L’Univers est paramétré selon ce principe (la métrique du référentiel existe) Préjugé non étayé par les observations?: l’échelle d’ homogénéité n’a pas encore été atteinte Fonction de Corrélation à 2 points: loi de puissance de pente g = 1.7 x ( r ) µ r-g (Peebles 1980, 1993)

15 Quelle est l’échelle limite sup du fractal?
100 Mpc, 500 Mpc? Corrélations: formalisme inadéquat (on ne peut pas se servir de la densité) Densité autour d’un point occupé G ( r ) µ r-g Sur la figure, pente g = -1 Correspondant à D = 2 M ( r ) ~ r2

16 Transition vers l’homogénéité
Nombreuses controverses, groupes de Princeton (J. Peebles), et de Rome (L. Pietronero) Principal argument pour l’homogénéité: le fond cosmologique à 3K (Smoot et al 1992) COBE: fluctuations de 10-5 à 7° Il doit exister une transition, correspondant aux échelles non-encore effondrées gravitationellement, découplées (non linéaires) Transition variable dans le temps

17 Le ciel est uniforme à l=3mm
Une fois le niveau constant soustrait  dipole ( V = 600km/s) Après soustraction du dipole,  la Voie Lactée, émissions de la poussière, synchrotron, etc.. Soustraction de la Voie Lactée  fluctuations aléatoires DT/T ~ 10-5

18 Fonds cosmologique à 3K CMB
 2.73K au-dessus de zéro (~ -270° C)  longueurs d'onde millimétriques/cm ( ~= four micro-onde)  400 photons/cm3 ( milliards /s/cm2)  1% de la "neige" sur un poste TV  Homogène et siotrope à 10-5 près  Ces anisotropies nous renseignent sur les fluctuations ayant donné naissance aux galaxies  Dernière surface de diffusion ( ans après le Big-Bang)

19 Spectre du CMB

20 Le Big-Bang Expansion, loi de Hubble V=HD
Modèles classiques de Friedman k<0 Hyperbolique k=0 Parabolique k>0 Elliptique, fermé Avec constante cosmologique L W = r /r crit

21 Paramètres de l'Univers
W = r/rcrit

22 Expansion de l'Univers et redshift

23 Nucléosynthèse primordiale
Yang et al 1984 Contraintes sur le rapport h nombres de baryons sur le nombre de photons Wb = 0.05

24 Inflation  Expansion accélérée, exponentielle, de l'Univers, proposée
par Guth (1981)  Energie de l'inflaton: équivalent à une constante cosmologique L  Explique l'homogénéité, l'isotropie et la platitude de l'Univers (W-1) croît avec t  Résoud le problème de l'horizon, qui croît avec t or les structures croissent comme R(t) ~ t1/2  Les fluctuations quantiques sont amplifiées elles sont à l'origine des fluctuations de matière et des galaxies

25 Horizon de l'Univers Vous êtes ICI au centre de l'Univers visible
Regarder loin revient à remonter dans le temps Jusqu'au Big-Bang il y a 13.7 milliards d'années On ne voit que jusqu'à la dernière surface de diffusion ans après le Big-Bang

26 Solution du problème de l'horizon

27 Anisotropies du CMB Processus physiques simples
gravité, thermodynamique photons couplés avec le plasma Régime linéaire Ondes acoustiques L'horizon à cette époque est de 1° (COBE a pour résolution 7°)

28 Une simple perturbation
Crée une dépression  Onde sonore à c /√3 Horizon sonore à la recombinaison R~150Mpc Galaxies dans les sur-densités  Ondes acoustiques

29 Multiples perturbations

30 Résultats WMAP Wm = 0.28 L = 0.72 Wb =0.05 Ho = 71km/s/Mpc
Age = 13.7 Gyr Univers plat

31 Univers homogène et isotrope jusqu’à la recombinaison et la condensation des structures Dernière surface de diffusion à t= ans Anisotropies mesurées dans le fond cosmologique

32 2dF et les modèles Spectre de puissance du 2dF-GRS
+meilleur fit du L-CDM Wm h = 0.2 est favorisé Wb/Wm = 0.15 Soit Wm = 0.25, L = 0.75 Peacock (2003)

33 SDSS et l'énergie noire La comparaison des cartes du survey Sloan de galaxies avec les cartes WMAP ont permis de détecter des corrélations L'interprétation est par l'effet ISW (Integrated Sachs-Wolfe) L'énergie des photons est modifiée par le champ de gravité A la traversée d'un amas de galaxies (puits de potentiel) les photons gagnent de l'énergie en tombant (bleuissent) puis rougissent en remontant Si la traversée prend un certain temps (100 Myr), l'amas de galaxies aura eu le temps d'une expansion non négligeable (terme d'énergie noire L), et son potentiel sera moins profond à la sortie:  les photons ressortent plus bleus

34 Effet ISW (Integrated Sachs-Wolfe)

35 Découvertes Récentes 2001 QSO z=6. absorption continue 2002-06 WMAP
Big-Bang Recombinaison 3 105an Age Sombre 1éres étoiles, QSO an Renaissance Cosmique Fin de l'âge sombre Fin de la reionisation 109an Evolution des Galaxies Système solaire an Aujourd'hui an Découvertes Récentes 2001 QSO z=6. absorption continue WMAP paramètres de l’univers Réionisation 2004: HUDF (ACS) Télescope Hubble : VLT Chandra/XMM NAG & amas

36 Découverte de l’âge sombre de l'univers
Ligne de visée devant un quasar Spectre en absorption Forêt Lyman-alpha ou absorption continue totale Djorgovski et al 01

37 Lentilles gravitationnelles

38 SNe Ia

39 Supernovae à grand redshift

40 Les paramètres de l'Univers
Anisotropies du fonds cosmique (WMAP)  Univers plat Observations des SN Ia Lentilles gravitationnelles WL=0.7 WM=0.3 Wb=0.05

41 WMAP 5ème année Vecteurs polarisation du rayonnement
Renormalisation de s8 plus faible, spectre pas tout à fait invariant

42 Oscillations acoustiques
Réionisation Moins de tes z=17 WMAP1  z=11 WMAP3 <TE> Temperature-polarisation angular cross power spectrum Anticorrélation 50<l<150 Élimine les défauts topologiques Confortent les fluctuations adiabatiques

43 Taille de l’Univers Si l’univers est multi-connexe
on devrait voir des « copies » dans le ciel Pour un univers plat, Il existe 18 possibilités Hypertore (parallélépipédique faces reliées 2 à 2) Dodécaèdre de Poincaré identification des faces par twist de 36°

44 Hypertore Comment paver l’espace, courbure nulle

45 Problème quadrupole et octopole
A grande échelle, faible amplitude observée (quadrupole et octopole)  Un univers fini, qui impose une taille maximale aux longueurs d’onde autorisées: Univers dodécaédrique de Poincaré Luminet et al 2003 Pavage 3 sphères par 120 dodécaèdres

46 Contraintes WMAP Recherche de régions correspondantes dans
la carte de température de l’univers Aucune détection (6 cercles devraient correspondre) Donne une limite inférieure de la taille de l’Univers à 24 Gpc  Élimine le modèle dodécaédrique

47 Pic acoustique baryonique
Ondes détectées aujourd’hui dans la distribution des baryons galaxies SDSS Eisenstein et al 2005

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

49 Formation des galaxies
instabilité gravitationnelle Dans un Univers en expansion, les structures ne collapsent pas de façon exponentielle, mais se développent de façon linéaire Fluctuations de densité au départ dr /r << définition dr /r = d Les structures se développent comme le rayon caractéristique d ~ R(t) ~ (1 + z) z décalage vers le rouge (1+z) ~ longueur d’onde des photons 1+z d R(t) 10-5

50 Pour les baryons, qui ne peuvent se développer
qu'après la recombinaison à z ~ T ~ 2.76 (1+z) K le facteur de croissance ne serait que de 103,  insuffisant, si les fluctuations à cette époque sont de 10-5 Seule la matière noire non-baryonique (pas d’interaction avec les photons, seulement par la gravité) peut commencer de se développer avant la recombinaison, juste après l'équivalence matière-rayonnement r ~ R-3 matière r ~ R-4 photons CDM d~1 1+z d baryons E 10-5 R

51 r ~ R-3 matière r ~ R-4 photons Point d’Equivalence E z r NEUTRE Rayonnement Matière IONISE

52 Fluctuations de densité
Tegmark et al 2004

53 Formation hiérarchique des galaxies
Les plus petites structures se forment en premier, de la taille de galaxies naines ou amas globulaires Par fusion successive et accrétion les systèmes de plus en plus massifs se forment (Lacey & Cole, 93, 94) Ils sont de moins en moins denses M µ R2 et r µ 1/R

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55 Gaz Matière noire CDM Galaxies Simulations (Kauffmann et al)

56 4 « phases » 4 Zoom levels from 20 to 2.5 Mpc. z = 3. (from. z=10.)

57 Multi-zoom Technique Objective: Evolution of a galaxy (0.1 to 10 kpc)
Accretion of gas (10 Mpc)

58 Galaxies and Filaments
Multi-zoom (Semelin & Combes 2003)

59 Hypothèses pour la CDM Particules qui au découplage ne sont plus relativistes Particules WIMPS (weakly interactive massive particles) Neutralinos: particule supersymmétrique la plus légère LSP Relique du Big-Bang, devrait se désintégrer en gamma (40 Gev- 5Tev) Peut-être particules plus légères, ou avec plus d’intéraction non-gravitationnelles? (Boehm et al 04, 500kev INTEGRAL) Actions (solution to the strong-CP problem, 10-4 ev) Trous noirs primordiaux?

60 Hypothèses pour les baryons noirs
Baryons en objets compacts (naines brunes, naines blanches, trous noirs) sont soit éliminés par les expériences de micro-lensing ou souffrent de problèmes majeurs (Alcock et al 2001, Lasserre et al 2000) Meilleure hypothèse, c’est du gaz, Soit du gaz chaud dans le milieu intergalactique et inter-amas Soit du gaz froid au voisinage des galaxies (Pfenniger & Combes 94)

61 Matière noire dans les amas de galaxies
Dans les amas, le gaz chaud domine la masse visible La plupart des baryons sont devenus visibles! fb = Wb / Wm ~ 0.15 La distribution radiale dark/visible est renversée La masse devient de plus en plus visible avec le rayon (David et al 95, Ettori & Fabian 99, Sadat & Blanchard 01) La fraction de masse de gaz varie de 10 à 25% selon les amas  La masse noire est au centre, et non à l'extérieur, ce qui infirme les modèles a gravité modifiée MOND

62 Distribution de la fraction de gaz chaud fg dans les amas
L’abscisse est la densité moyenne au rayon r, normalisée à la densité critique (Sadat & Blanchard 2001)

63 Energie noire, quintessence
Energie quantique du vide?: Prédictions 120 ordres de grandeur de plus à l’échelle de Planck 56 ordres de grandeur à l’échelle EW (Electro-weak) Ne domine que très récemment (principe anthropique?) P= w E w ~ w =w0 +w1 z Constante cosmologique r = l /8pG = constante ou bien r(t) densité dépendant du temps?  5ème élément ou "Quintessence" Les 4 autres sont:Photons, Neutrinos (Leptons),Baryons, CDM Serait-il possible que le 4ème (inconnu) et le 5ème, l'énergie noire soient la même chose? Gas de Chaplygin  Quartessence

64 Premières structures de gaz
Après recombinaison, GMC de 105-6Mo collapse et fragmentent Jusqu’à 10-3 Mo, H2 cooling efficace L’essentiel du gaz ne forme pas d’étoiles Mais une structure fractale, en équilibre avec TCMB Après les premières étoiles, ré-ionisation Le gaz froid survit pour être assemblé dans les filaments à grande Échelle, puis les galaxies Façon de résoudre la « catastrophe de refroidissement » Régule la consommation du gaz en étoiles

65 Abel et al 2000 Top: log sur-densité coupe dans le pic principal 320pc, 32pc + vitesses Bottom: log température Moins de 1% du gaz forme des étoiles

66 Réionisation Percolation progressive des zones ionisées

67 Problèmes dans la formation des galaxies (paradigme L-CDM)
Prédiction de "cuspides" au centre des galaxies, en particulier absentes dans les naines Irr, dominées par la matière noire Faible moment angulaire des baryons, et en conséquence formation de disques de galaxies 10 fois trop petits Prédiction d’un grand nombre de petits halos (400 autour de la Voie Lactée), non observés La solution à ces problèmes viendrait-elle du manque de réalisme des processus physiques (SF, feedback?), du manque de résolution des simulations, ou de la nature de la matière noire?

68 Prédictions LCDM: « cusp » ou « core »
Loi de puissance de la densité a ~1-1.5, observations a ~0

69 Moment angulaire et formation des disques
Les baryons perdent leur moment angulaire au profit de la CDM Paradigme: baryons initialement  même AM spécifique que DM Le gaz est chaud, chauffé par les chocs à la température Viriel du halo Une autre façon d’assembler la masse est l’accrétion de gaz froid Le gaz est canalisé le long des filaments, modérément chauffé par des chocs faibles, et rayonne rapidement L’accrétion n’est pas sphérique, le gaz garde son moment angulaire Gaz en rotation autour des galaxies, plus facile de former des disques

70 Trop de petites structures
Aujourd’hui, les simulations CDM prédisent 100 fois trop de petits halos autour des galaxies comme la Voie Lactée

71 Autres solutions pour les courbes de rotation des galaxies
La matière noire peut résoudre le problème, mais aussi….. Une modification de la loi de Newton

72 MOND: MOdified Newtonian Dynamics
Loi de la gravité modifiée, ou loi de l’inertie (Milgrom 1983) En-dessous de la valeur de l’accélération a0~ m/s-2 gM = (a0 gN)1/2 Potentiel logarithmique Loi de Tully-Fisher M ~V4 gM2 ~V4/R2 ~ GM/R2

73 Courbes de rotation multiples..
Sanders & Verheijen 1998, tous types, toutes masses

74 Problèmes de MOND dans les amas
Selon la physique des baryons, du gaz froid pourrait se trouver au centre des amas (flots de refroidissement) D’autre part, les neutrinos pourrait représenter 2x plus de masse que les baryons

75 L’amas du boulet Gaz X Preuve de l’existence de matière
Non-baryonique? Explicable avec MOND + neutrinos (% habituel, Angus et al 2006) Masse totale

76 Abell 520 z=0.201 Mahdavi et al 2007 Rouge= gaz X Contours= lensing
Cœurs de matière noire coincident avec X Mais pas avec galaxies Cas opposé!

77 Amas en collision Abell 520
Contours=masse totale Contours = gaz X Comment les galaxies sont-elles éjectées des pics CDM??

78 CL Jee et al 2007 Contours=lensing Contours= gaz X

79 Anneau de CDM, CL

80 Accrétion de gaz froid par les galaxies
Scénario conventionel: chauffage par chocs à Température Viriel (106 K pour une galaxie comme la Voie Lactée) Les simulations avec résolution voient 2 modes d'accrétion Gaz froid le long des filaments, la fraction de gaz froid étant plus Grande dans les petits halos (MCDM < Mo) Keres et al 2005

81 Gas froid des filaments
Température Densité du gaz froid Arrêt de la formation d'étoiles? Origine de,la bimodalité? Dekel & Birnboim (2006)

82 Feedback dû aux Starbursts ou AGN
Di Matteo et al 2005

83 Amas de Persée Salomé et al 2006 Fabian et al 2003

84 Conclusion Paramètres de l’Univers: Wm=0.27, dont15% baryons, 85% ??
Le modèle de matière noire CDM, avec L = 0.73 est celui qui correspond le mieux aux observations, surtout pour les grandes structures Encore des problèmes non résolus:  CDM devrait dominer au centre des galaxies avec une cuspide Problème du moment angulaire des baryons, perdu au profit de la CDM, et formation des disques Prédiction d’une multitude de petits halos, non observés La physique des baryons pourrait résoudre une partie des problèmes et notamment l’accrétion de gaz froid Ou bien modifications de la gravité