Fusion

Les Collisions de Galaxies
Frédéric Bournaud
Observatoire de Paris / LERMA
Des évènements fréquents
• Collisions mineures :
• Collisions majeures :
Une galaxie + 1 naine < 10%
Galaxies de masses similaires
- Tous les 2-3 Gyr dans le
champ
- Exceptionnel dans le champ
- Continu dans les groupes
ex : M-W + GMC
- Tous les 1-3 Gyr dans les
groupes pauvres
- Quasi-continu dans les
groupes compact
Des collisions aux fusions
Ne se produit pas :
- Collisions ente étoiles (quelques unes pour 2.1011 étoiles)
- Relaxation à deux corps
très peu de « croisements » gravitationnels d’étoiles
T2C > 10 Gyr
Se produit :
Friction dynamique
- entre les disques stellaires (qqs 10 kpc)
- avec les halos de matière noire (qqs 100 kpc)
 Freinage relatif des deux galaxies
 Fusion
Sauf si vitesse > 500 km/s : collision sans fusion
(cas des amas ; rare en dehors)
Fusion et relaxation
FREINAGE
CHAUFFAGE
Conséquences :
1- L’energie cinétique (mouvement relatif) dissipée par friction
 énergie interne (chauffage du gaz d’etoiles)
dispersion de vitesse augmentée
Fusion et relaxation
Départ : 2 galaxies spirales , entrent en collision => fusion par friction
Tfusion = T fric dyn = 50 – 300 Myr
T dynamique = T orbital = 100 – 600 Myr
=> La fusion est rapide, accompagnée d’une relaxation violente
Conséquences :
1- L’energie cinétique (mouvement relatif) dissipée par friction
 énergie interne (chauffage du gaz d’etoiles)
dispersion de vitesse augmentée
2- Résidu plus concentré que les disques spiraux
profil de Sersic m(r) = mo exp[ -b (r/re)1/n ] n augmente
Des spirales aux elliptiques
300km/s
150km/s
Collision entre deux spirales de même masse :
E dissipée par friction (et chauffage résultant)
≥ E initiale (de rotation) des disques
=> Système final V/s < 1
Des spirales aux elliptiques
Formation d’une galaxie elliptique :
Chauffage => Système final V/s < 1
et destruction des disques en rotation
Relaxation => Profil final n = 3 – 5
 Similaire aux galaxies Elliptiques observées
Des spirales aux elliptiques
Des spirales aux elliptiques
Séquence de Toomre
Fusions majeures et mineures
Echelle de rapport de masse
1:100
1:10
1:3
1:1
Major Mergers
Minor Mergers
Cas intermédiaires
Spirale + Naine
=> Spirale perturbée:
Épaississement,
chauffage, alimentation
du bulbe… FAIBLES
=> SPIRALE EARLY-TYPE
Formation de
galaxies S0
lenticulaires
Spirale + Spirale
=> Chauffage/Relaxation
=> ELLIPTIQUE
Fusions successives
Fusions 8:1 successives
Relaxation et chauffage progressifs :
Sb -> S0 (2 fusions) -> Elliptiques (4 fusions)
Elliptiques et populations stellaires
magnitude
metallicité
• Pas de « mélange total » des populations stellaires
• Gradients de métallicité radiaux
ou azimuthaux (fusions majeures uniques)
Effets de marée & réponse du gaz
c om p
Gaz
Choc avant
V a l l é e d e “p o t e n t i e l”

Choc arrière
c omp
r
Disque spiral
Corotation
Réponse du gaz au champ de marée :
- contrôlée par la position du compagnon
- dépend de la position des résonances (dont corotation)
Galaxie
compagnon
Effets de marée & réponse du gaz
c om p
Gaz
Choc avant
V a l l é e d e “p o t e n t i e l”
Couple –
Couple +
Choc arrière
Galaxie
compagnon
Disque spiral
Couples positifs/négatifs selon le rayon.
=> Outflow à l’extérieur de la corotation (s’ajoute au champ de marée)
=> Inflow dans les régions internes
Effets de marée & réponse du gaz
comp
Inflow
marée
marée
Outflow
Galaxie
compagnon
Disque spiral
Outflow à l’extérieur de la corotation : queues de marée
Inflow dans les régions internes : flambée de formation stellaire
Queues de marée
Tadpole Galaxy( HST)
Naines de marée
Naines de marée
Arp 105 (Duc et al. 1994)
NGC 7252 (Hibbard et al. 1996)
Accumulations de matière:
– riches en gaz et massives (109MO)
– dans les parties externes des queues
– formant des étoiles
=> Galaxies naines en formation ?
Des « mergers » aux « Starbursts »
Couples de gravité => Infall de gaz
(surtout rencontres lentes et dans le plan)
 Densité croissante, chocs, ….
 Starburst
- observé
- théorique qq soit les facteurs de SFR:
densité (Schmidt)
seuil
dispersion
chocs …
Des « mergers » aux « Starbursts »
comp

Galaxie
compagnon
c omp
r
Disque spiral
Corotation
Limitation : Le gaz mobilisé est dans la corotation
Cas idéal = corotation à grand rayon
=> Nécessite un compagnon lent ()
=> Existence de résonances internes
=> L’infall de gaz est stoppé
Le gaz n’est pas concentré au-delà des 1-3 kpc centraux
Des « mergers » aux « Starbursts »
Limitation : Le gaz n’est pas concentré au-delà des 1-3 kpc centraux
=> limite la densité, les chocs, la contagion …
=> starburst modéré
SFR max ~ 5 Mo/yr sur les collisions favorables
2eme starburst ?
Fin de fusion : les cœurs des deux galaxies sont proches
 plus élevé => reprise de l’infall jusqu’au centre
Mais : ne mobilise que le gaz du kpc central
=> pas de starburst plus fort
Au mieux : à grand z (peu de bulbe), avec des disques riches en gaz,
SFR peut atteindre ~ 15 Mo/yr
Des « mergers » aux « Starbursts »
SFR (Mo/yr)
6
4
2
T (Myr)
0
0
200
400
Des « mergers » aux « Starbursts »
Comment expliquer les ULIRGs?
Souvent ULIRGs associées aux collisions/fusions…
Des « mergers » aux « Starbursts »
Comment expliquer les ULIRGs?
Souvent ULIRGs associées aux mergers…
Mais pourquoi ces mergers produisent-ils ~100 Mo/yr d’étoiles ?
Loi de Schmidt vs. chocs/contagion => ne résout pas le problème
Seul modèle l’expliquant :
Collisions de galaxies
- à faible densité centrale
- de type très tardif (sans bulbe)
- très stables (pas de barre à z~1)
 irréaliste (ou exceptionnel)
Pas de réponse satisfaisante actuellement:
Facteurs déclanchant la formation stellaires mal compris
Phénomènes nucléaires
Formation stellaire centrale
=> Cœurs / disques nucléaires froids et découplés
=> mécanismes d’accrétion centrale
noyau actif possible
+ effets de la fusion de trous
noirs centraux.
(Mayer et al. 2006)
Les collisions de plein fouet
• Peuvent être sans fusion (V > 500 km/s)
• Anneaux collisionnels
Les collisions de plein fouet
• Peuvent être sans fusion (V > 500 km/s)
• Anneaux collisionnels
• Effets de « splash » pour le gaz
Formation d’anneaux
1- Collisionnels
Passage rapide du compagnon
au centre du disque
 Impulsion radiale
 oscilations radiales
en phase à t=0
de période croissante avec r
Anneaux = ondes en expansion
Transitoires (sans autogravité)
(Appleton & Struck 1996)
Formation d’anneaux
1- Collisionnels
Formation d’anneaux
2- Dissipatifs
Rencontres de mouvements radiaux vers l’extérieur (anneaux collisionnels)
et vers l’intérieur (retombée diffuse)
+ dissipation => anneau fixe, self-gravitant, durable ; parfois polaire
Formation d’anneaux
2- Dissipatifs
Rencontres de mouvements radiaux vers l’extérieur (anneaux collisionnels)
et vers l’intérieur (retombée diffuse)
+ dissipation => anneau fixe, self-gravitant, durable ; parfois polaire
Formation d’anneaux
3- Résonants
Plusieurs anneaux, à des rayons
non quelconques
 Anneaux résonants
Ce ne sont pas des collisions de
galaxies :
- Les résonances varient trop vite
dans les collisions
- Variations tendent plutôt à
détruire ces anneaux
Formation d’anneaux
4- De marée
Capture de queues de marée
Collision avec ou sans fusion
 Anneaux de gaz et d’étoiles
jeunes.
Objet de Hoag
Conclusions
Collision => fusion (pas systématique)
friction dynamique et chauffage + relaxation
=> évolution vers les elliptiques (en une ou plusieurs fusions)
Marée et couples induits : Queues de marée
Flambée de formation stellaire
Matière transférée / arrachée aux galaxies :
Naines de marée, effets de splash, anneaux.
Question principale : quel rôle dans la formation stellaire?