La formation des galaxies spirales?

La formation des galaxies spirales?
par François HAMMER
La structure spirale de la plupart des galaxies
M83
M 31
NGC 1365
NGC 2997
M100 SABbc
NGC 1313
La structure spirale
1000 a.l.
100 000 a.l.
La masse cachée (ou invisible)
La cinématique des galaxies
révélée par la
spectroscopie à
haute résolution
La masse cachée:
observée
Les galaxies spirales tournent beaucoup trop vite:
Si les galaxies ne contenaient qu’étoiles et gaz, les étoiles se
disperseraient au bout de quelques tours…
Le halo massif: explique la vitesse de
rotation des galaxies
Une autre évidence de la matière
sombre: les lentilles gravitationnelles
Un effet prévu depuis Einstein…
…première découverte en 1979
par les amas de galaxies
85% de la masse est invisible:
Galaxies spirales: 5 à 15 fois plus de
matière sombre
Galaxies elliptiques: 5 à 20 fois plus de
matière sombre
Amas de galaxies: 100 à 300 fois plus
de matière sombre que visible, mais
environ 10 fois plus que le total
visible+gaz X
De nombreuses interrogations:
De quoi est faite la matière sombre ?
- des « petits » corps invisibles car peu lumineux
==> mais les expériences (micro-lentilles) donnent peu de résultats
- de gaz peu émissif, neutre (HI) ou moléculaire (H2),
==> très improbable au vu des détections actuelles
- de particules élémentaires (WIMPs) encore non découvertes ?
La constante gravitationnelle est-elle universelle ?
==> G change avec la distance
MAIS: lentilles gravitationnelles
La formation hiérarchique des
galaxies
Temps t
Formation hiérarchique des halos de matière sombre
Temps t
Formation hiérarchique des galaxies
Après fusion de deux
disques sans gaz:
- Voie Lactée-M31:
un ellipsoide
Temps t
Formation hiérarchique des galaxies
Dans 4 à 7 milliards d’années
Après fusion de deux
disques, sans gaz:
- Voie Lactée-M31:
un ellipsoide
La formation des grands disques:
72% des grandes galaxies sont
des spirales
Comment les disques géants des galaxies
spirales se sont formés?
Les collisions entre galaxies
détruisent les disques minces (e.g.
Toth & Ostriker, 1992)
Pourquoi tant de disques minces?
Simulation: GADGET2, Peirani, private communication
Le moment angulaire s’acquiert aux toutes premières
époques par interactions entre les galaxies:
Les disques galactiques sont alors supposés évoluer sans
grande collisions et simple accrétion de gaz
scenario dit « séculaire »
Excerpt from Dekel, Paris courses, 2006
Observer les galaxies lointaines:
c’est décrire des galaxies
identiques aux progéniteurs des
galaxies actuelles
Observer le passé de l’Univers, il y a 6-13 milliards d’années
Plus de 100 milliards de galaxies !
Aujourd’hui
Structurées
Forment ~1 soleil/an
5 à 8 milliards d’années auparavant…
Dynamiques souvent complexes;
forment de 10 à 200 fois plus
d’étoiles que la Voie Lactée
L’évolution de la séquence de Hubble
Aujourd’hui
Il y a 6 milliards d’années
Observer les galaxies, il y a 6 à 8 milliards d’années
VLT/GIRAFFE
OzPoz
GIRAFFE
●ROT
Cinématique résolue des galaxies distantes
HST
VF
σ
S/N
VF-model
σ−model
σ−
■ Rotation perturbée
▲ Cinématique complexe
Flores et al (2006)
Yang et al (2008)
Bilan pour les galaxies, il y a 6 milliards d’annnées:
Rotation ordinaire : 19%
Cinématique anormale: 41% (incl. PR: 15%, CK: 26%)
Sans raies d’émission (E/S0/Sa..): 40%
25
MJ(AB) < -20.3
~ Mstellar > 1.5 1010Mʘ
Delgado et al. 2010
Spirals: 72%
Il y a 6 milliards
d’années:
• E/S0 étaient déjà présentes
• mais
la moitié des ancêtres
des spirales ont des
morphologies et des
cinématiques très anormales
Spirals: 31%
Peculiars: 52%
26
La formation hiérarchique des
galaxies spirales
Simulation hydrodynamique de fusion de 2 galaxies spirales
Formation d’un nouveau disque si il y a beaucoup de gaz, ce qui
était le cas il y a 6 à 10 milliards d’années
La majorité des galaxies ont-elles subi des fusions violentes il
y a 4 à 10 milliards d’années?
Les ancêtres des galaxies spirales
Il y a 6 milliards d’années
Les ancêtres des
galaxies spirales
Il y a 6 milliards d’années
La moitié d’entre elles avaient
des morphologies et des
cinématiques anormales
Celles-ci sont toutes
reproduites par des modèles
de fusions majeures de
galaxies
Observer le passé de l’Univers, il y a 6 milliards d’années
VLT/GIRAFFE
Modèles numériques des galaxies anormales
Hammer et al. 2009
0”.
5
24.60
INC_3_1, t=2
VF observed
σ observed
VF simulated
VF observed
σ simulated
σ observed
VF simulated
σ simulated
Fuentes-Carrera et al. 2010
32
Modèles numériques des galaxies anormales
Excerpt of Fig.
2 from
Puech
et al,Hammer
2007 et al. 2009
October 2010
X-shooter 1st year 2010 - Como
Les galaxies proches
(Groupe Local)
33
Le groupe local
Rayon = 2 millions d’années lumières
Rayon = 2 millions d’années lumières
La Galaxie: une histoire peu mouvementée
Pas de grande collision depuis… 10-11 milliards d’années
Aujourd’hui: * absorption d’une minuscule galaxie, Sagittarius
* les nuages de Magellan s’approchent à 350 km/s
L’histoire tumultueuse d’Andromède
• des courants géants
d’étoiles vieilles
• des vastes structures dans
le halo
• un bulbe dit “classique”
Événements liés à la fusion
entre galaxies
Andromède:
une grande collision il y a 5.5
milliards d’années?
Une première: simulation d’Andromède et de
toutes ses propriétés
Une première: simulation d’Andromède et de
toutes ses propriétés
Une première: simulation d’Andromède et de
toutes ses propriétés
Deux grandes galaxies spirales locales
• La Voie Lactée: une histoire calme
• Andromède: une histoire très mouvementée
L’histoire tumultueuse de nombreuses spirales
(Martinez-Delgado et al. 2008, 2009)
NGC 5907
NGC 4013
M 63
La Voie Lactée: une galaxie exceptionnelle ?
Masse (en étoiles) et rayon des galaxies ayant la même rotation que la
Voie Lactée; celle-ci a une masse et un rayon trop petits, ce qui est
probablement du à l’absence d’interactions dans son passé…
Les étoiles du halo de la Voie Lactée sont exceptionnellement uniformes
Conclusion
Chaque galaxie, ou « Univers-ile » contient 100 milliards d’étoiles, et
l’Univers contient plus de 100 milliards de galaxies
Près de 90% de la matière semble invisible - son origine (ou existence)
est encore mystérieuse
La majorité des galaxies, elliptiques et spirales se forment par fusions
entre des entités de plus petites tailles
La Voie Lactée semble avoir échappé à ces fusions depuis près de 11
milliards d’années: cela a peut-être permis l’apparition de la vie dans
son disque
Et encore d’autres énigmes…