La formation des galaxies spirales? par François HAMMER La structure spirale de la plupart des galaxies M83 NGC 1365 M100 SABbc M 31 NGC 2997 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 (H 2 ), ==> 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
Formation hiérarchique des halos de matière sombre Temps t Formation hiérarchique des galaxies Temps t Après fusion de deux disques sans gaz: - Voie Lactée-M31: un ellipsoide
Formation hiérarchique des galaxies Temps t 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 5 à 8 milliards d années auparavant Structurées Forment ~1 soleil/an Dynamiques souvent complexes; forment de 10 à 200 fois plus d étoiles que la Voie Lactée
Aujourd hui L évolution de la séquence de Hubble Il y a 6 milliards d années Observer les galaxies, il y a 6 à 8 milliards d années VLT/GIRAFFE OzPoz GIRAFFE
Cinématique résolue des galaxies distantes ROT Rotation perturbée HST VF σ S/N VF-model σ model 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% Mʘ M J(AB) < -20.3 ~ M stellar > 1.5 10 10 25 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 INC_3_1, t=2 VF observed σ observed 24.60 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 Puech Fig. 2 from et al, Hammer 2007 et al. 2009 October 2010 X-shooter 1st year 2010 - Como 33 Les galaxies proches (Groupe Local)
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