Propriétés et évolution des galaxies - David Elbaz
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« Propriétés et évolution des galaxies » David Elbaz ([email protected]) Service d'Astrophysique - CEA Saclay Tel: 01 69 08 54 39 Formation d’étoiles: effets d'environnement et lois d’échelle Master Recherche M2 Astronomie & Astrophysique Enseignement thématique des parcours M2 – Galaxies http://david.elbaz3.free.fr/master_m2 David Elbaz – ET12 master M2 2016 1 Effetsd'environnementdanslesamasdegalaxies "Ségréga6onmorphologique": (cfDressler1980,ApJ236,351): – Interac6onsgravita6onnelles:SpàE – fusions(mergers) – passagesnonfusionnels(fly-by)avec effetsdemarée(6daleffects) =galaxyharassment – Epluchageparpressiondynamique(Ram PressureStripping)parlegazintra-amas: SpàS0 Len6culaires(S0):10-20%danslechamp ->50%danslesamasriches Spirales: 80%danslechamp ->10-20%danslesamasriches! David Elbaz – ET12 master M2 2016 2 Ségréga6onmorphologique,bimodalitéeteffetsd'environnement • L'étude des amas de galaxies a permis de me[re en évidence un effet de ségréga&on morphologique: la propor6on de galaxies spirales diminue des régions peu denses aux régions très denses en galaxies, de 80% à 10% des galaxiesennombre. • L'ar6cledeDressler(1980,ApJ236,351)estlaréférenceclassiqueàceteffet de ségréga6on morphologique, qui a d'abord été mesuré grâce à l'étude des amas de galaxies. On a d'abord pensé qu'il s'agissait d'un effet propre à la physiquedesamasdegalaxiesrichesengalaxiesmaisaussiengaz,dontl'effet est d'éplucher les galaxies de leur réservoir de gaz (RPS= Ram Pressure Stripping). • Mais les galaxies d'amas ne représentent que 5 à 10% des galaxies dans l'univers local et la ségréga6on morphologique a été mesurée jusqu'à des densitésbienplusfaiblesquecellesdesamas. David Elbaz – ET12 master M2 2016 3 Evolu6onmorphologiqueenfonc6ondel'environnement L'environnementdesgalaxiesjoueunrôlefondamentaldansleursprocessusdeforma6onet d'évolu6on: 1. dans le paradigme actuel, les galaxies se forment de manière hiérarchique (hierarchical clustering), c'est-à-dire par fusions successives des plus pe6tes aux plus grosses, par opposi6onàlaforma6onmonolithique(monolithiccollapse),oùlesgalaxiesnaissentd'un bloc à grand redshie. Dans ce contexte, la différence entre forma6on et évolu6on disparaîtpuisqu'unegalaxiecommelaVoieLactéerésultedelafusiond'unecentainede galaxies au cours de 10 Gyr. La morphologie, mais aussi la forma6on d'étoiles et la croissance d'un trou noir supermassif au centre des galaxies, sont donc influencées de manièreforteparl'environnement. 2. danslesstructuresgravita6onnellementliéeslesplusmassivesdel'universquesontles amasdegalaxies,ceseffetssontexacerbésetl'onvoiteffec6vementladistribu6ondes galaxiesentypesmorphologiquesfortementaltéréedanslesamasparrapportauchamp. Lepoint1impliquequelesgalaxiessontdeplusenplusaffectéesparl'environnementen remontantdanslepasséoùl'universétaitplusdenseetlesgalaxiesplusnombreuses. Le point 2 implique qu'à une époque donnée (un z donné), les galaxies subissent des effetsdifférentsselonlarégiondel'universoùellessetrouvent. David Elbaz – ET12 master M2 2016 4 Leses6mateursdedensité • Over-densityinsidegivenvolume(Hoggetal.2003,2006) – δ=N/Na-1=(N-Na)/NawhereN:numberofgalaxiesinthevolumeofgivenco-moving distance, Na: predicted number of galaxies in this volume if they are randomly distributedorfromluminosityfunc6on • Numberofneighborsinsidegivenvolume(Kauffmannetal.2004,Elbazetal. 2007):Σ(2D)ouρ(3D). • k-thNearestneighborsdistance(Clemensetal.2006)orassociatedsurface (Baloghetal.2004) – Σ5=5/(4πR52),R5=distancedela5ègal.la+proche • Distancepondéréeaugroupeleplusproche:Dg/Rvir • Dg=distanceaugroupede+de5galaxiesleplusproche • Rv(viriel)~massedugroupe • Distancetoknownclustercenter(Bernardietal.2006,Mateusetal.2006) • e.g.C4clustercatalog(Milleretal.2005),groupcatalog(Yangetal.05,Berlindetal.06) • clustercatalogcompleteness • Pairsta6s6cs,2pointcorrela6onfunc6on David Elbaz – ET12 master M2 2016 5 Distribution spatiale des galaxies (z<0.2) dans le SDSS David Elbaz – ET12 master M2 2016 6 Distributions spatiales des galaxies rouges et bleues David Elbaz – ET12 master M2 2016 7 Larela6onforma6onstellaire-densité:lerôledesgroupes R5 2 Mpc 600 kpc dispersion devitesse:σ 200 kpc Etude des amas (Balogh et al. 2000): "le principal effet de l'environnement est la suppression du SFR par épluchage dynamique duréservoirdegaz» groupes amas Etude de l'environnement des groupes (Balogh et al. 2004): "l'épluchage ne peut agir à ces densités, il faut donc qu'il y ait eu accéléra&on de la forma&on d'étoiles dans le passé avec l'environnement» groupes amas Σ5=5/(4πR52),R5=distancedela5ègal.la+proche David Elbaz – ET12 master M2 2016 8 densité projetée en masse indice de concentration Kauffmann 2004 (MNRAS 353, 713) Forte variation avec M* Faible variation avec densité Ladensitén’affectepasla distribu6onspa6aledelumière (morphologie) Les courbes de couleur ≠ correspondent à des densités ≠: bleu clair= galaxies ayant 0 ou 1 voisine dans un rayon de 2Mpc et ±500km/s bleu foncé: 2-3 voisins, vert: 4-6, noir: 7-11 , rouge: 12-16 , violet: >17 voisins courbes pointillées: 10-90% des gals Age des étoiles (D4000) taux spécifique de formation d’étoiles Lesindicateursd’âgeetde forma6ond’étoilessont sensiblesàl’environnement etàlamasse (SFR/M*~SFR/<SFR>) David Elbaz – ET12 master M2 2016 9 Quelleéchellededistanceaffectelesgalaxies? Blantonetal.(2006ApJ645,977) Frac6ondegalaxiesbleues(forma6onstellaireac6ve)enfonc6ondeladensitélocaledegalaxiessurdes échellesde0.5,1et6Mpc(galaxiesduSDSS,échan6llonde28089galaxies) Mesuredelasur-densitélocaledegalaxies,δ,parrapportàladensitémoyenne:onconsidèreun échan6llonlimitéenmagnitudeabsolue(iciMr<-18.5)etoncomptelenombredegalaxies,Ni,entre10 kpcet1Mpc(ou6Mpc),dansunintervallederedshie,±1000kms-1.Onfaitlerapportdecenombreavec lenombremoyendegalaxiesa[enduesdanscevolume,Nexp,i.Lamesuredelasur-densitélocalede galaxiesest: ADen&on:lataillecaractéris6queestici mesuréeenh-1Mpc,pour H0=100hkm/s/Mpc Danslecasdelacosmologieactuelle, H0~72km/s/Mpcetdonc1h-1Mpccorrespond enréalitéà1.4Mpc David Elbaz – ET12 master M2 2016 10 Quelleéchellededistanceaffectelesgalaxies? Blantonetal.(2006ApJ645,977) Frac6ondegalaxiesbleues(forma6onstellaireac6ve)enfonc6ondeladensitélocale degalaxiessurdeséchellesde0.5,1et6Mpc(galaxiesduSDSS) ρ(1Mpc)~ 3 x densité moyenne ρ(6Mpc)~ 3 x densité moyenne Petites échelles (≤ 1 Mpc): oui Grandes échelles (~ 6 Mpc): non Cesdeuxfiguresmontrentquelafrac6ondegalaxiesbleuesvarietrèspeuaveclessur-densitésdegalaxiesauxéchelles de6h-1Mpc(~8Mpc),commel'indiquentleslignesd'"iso-frac6on": quandlasur-densitélocaldegalaxiessurdeséchellesde1h-1Mpcestégaleà3foisladensitémoyenneàceséchelles,on nevoitaucunevaria6onenfonc6ondecelleà6h-1Mpc.Aucontraire,quandelleest3x>moyenneà6h-1Mpc,celleà1h-1 Mpcvarieentre15et60%! David Elbaz – ET12 master M2 2016 11 Quelleéchellededistanceaffectelesgalaxies? Blantonetal.(2006ApJ645,977) Frac6ondegalaxiesàforma6onstellaireac6vemesuréeparlalargeuréquivalentedelaraie Hα,enfonc6ondeladensitélocaledegalaxiessurdeséchellesde0.5,1et6Mpc. Petites échelles (≤ 1 Mpc): oui Grandes échelles (~ 6 Mpc): non Mêmetendanceavecl'indicateurdeforma6ond'étoilesinstantanéHαqu'aveclafrac6ondegalaxies bleues:lavaria6onlaplusforteseproduitauxéchellede~1h-1Mpc,plusencorequ'àdeséchellesde0.5 h-1Mpc. David Elbaz – ET12 master M2 2016 12 Formation hiérarchique des structures & amas de galaxies Amas de Coma Abraham & van den Berg 2000, Science, 5533, 1273 David Elbaz – ET12 master M2 2016 13 Effetsd'environnementdanslesamasdegalaxies Alorsqueladistanceentreétoilesauseind'unegalaxiesonttrèsgrandes: 20x106xleurdiamètre Ladistancemoyenneentre2galaxiesestbienplusréduitedansunamas: 15-20xleurdiamètre Ilenrésultequelescollisionsentregalaxiessontbienplusfréquentesqu'entreétoiles,mais ladispersiondevitessesdesgalaxiesd'amas(σv~1000kms-1)estbeaucoupplusgrandeque celles des étoiles des galaxies (σv~200-300 km s-1), donc l'énergie ciné6que >> poten6el gravita6onneletlafusiondedeuxgalaxiesestpeuprobabledansunamas.Parcontre,les effetsdemaréemul6ples(harcèlement,harassment,enanglais),affectentlesgalaxies. Legasintra-amasdesoncôtéapoureffetd'éplucherlesgalaxiesdeleurréservoirdegaz (RPS=RamPressureStripping;épluchageparpressiondynamique). David Elbaz – ET12 master M2 2016 14 Larela6onmorphologie-ac6vité-densitévueparleSDSS COMPACITE n g-r ProfildeSersic: n=indicedeSersic estunemesuredelacompacité n=1:profilexponen6el(Sp) n=4:profildedeVaucouleurs(E) Environnement:Dg/Rvir Dg=distanceaugroupede+de5 galaxiesleplusproche Rv(viriel)~massedugroupe Agauche:compacitéindépendantede l'environnement,varieuniquementdes galaxiesbleuesauxrouges Lacouleur,àdroite,dépendde l'environnement àL'environnementaffecteaffecte compacte l'histoiredelaforma6ond'étoiles,mais pasdetracemesurabledel'effetdes fusions(n)... Hogg(2005) bleu rouge environnement David Elbaz – ET12 master M2 2016 15 Compacité lumineuse et indice de Sersic David Elbaz – ET12 master M2 2016 16 D.Hogg(2005) «Thereisnomorphology-densityrela6on» « What physical processes can « tell » a galaxy star-forma6on rates about their environmentsbutnotdomuchtothemorphologiesindependantly? I think that the conclusion has to be that the processes that set the morphology are somehow internal to the galaxies. That’s going to be hard to reconcile with CDM cosmogony.» David Elbaz – ET12 master M2 2016 17
