chap11

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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
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)
Classification - 8
NGC1365
Type SBb
(SSRO/PROMPT et
NOAO/AURA/NSF )
Classification - 9
M31
« nébuleuse d’Andromède »
Type Sb
et compagnons
M32
NGC205
(elliptiques
naines)
(R. Gendler)
Classification - 10
M87
Elliptique géante
(CFHT)
Galaxie
principale de
l’amas de la
Vierge
Classification - 11
M82
Irrégulière
(HST)
Site de formation
active d’étoiles
Interaction
« récente » avec
M81
Classification - 12
Naine du Sagittaire
Irrégulière naine
(HST)
Satellite de notre
Galaxie
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
Amas de galaxies - 2
L’amas de la Vierge situé à ~ 18 Mpc
Amas de galaxies - 3
L’amas de la Coma situé à ~ 100 Mpc
(Jim Misti)
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
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 :



 F  qv  B
→ 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)
Galaxies actives et quasars - 5
Émission radio
Flux radio < lobes radio
(extension totale ~10 fois
supérieure à celle de la
galaxie)
Parts of the radio galaxy Cygnus A
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)
Radiogalaxie M87
2 types : Narrow-Line & Broad-Line Radio
Galaxies (NLRG/BLRG) selon l’absence ou
non de raies permises larges dans le spectre
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
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
Les galaxies
• Classification
• Amas
• Collisions
• Galaxies actives et quasars
Fin du chapitre…
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