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Les Collisions de Galaxies
Frédéric BournaudObservatoire de Paris / LERMA
Des évènements fréquents
• Collisions mineures :
Une galaxie + 1 naine < 10%
- Tous les 2-3 Gyr dans le champ
- Continu dans les groupes
ex : M-W + GMC
• Collisions majeures :
Galaxies de masses similaires
- Exceptionnel dans le champ
- Tous les 1-3 Gyr dans les groupes pauvres
- Quasi-continu dans les groupes compact
Des collisions aux fusionsNe 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 (r) = o exp[ -b (r/re)1/n ] n augmente
Collision entre deux spirales de même masse :
E dissipée par friction (et chauffage résultant)
≥ E initiale (de rotation) des disques
=> Système final V/ < 1
300km/s
150km/s
Des spirales aux elliptiques
Formation d’une galaxie elliptique :
Chauffage => Système final V/ < 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
Des spirales aux elliptiques
Séquence de Toomre
Fusions majeures et mineures
Echelle de rapport de masse
1:10 1:3 1:1
Minor Mergers
Spirale + Naine
=> Spirale perturbée:
Épaississement, chauffage, alimentation du bulbe… FAIBLES
=> SPIRALE EARLY-TYPE
Major Mergers
Spirale + Spirale
=> Chauffage/Relaxation
=> ELLIPTIQUE
1:100
Cas intermédiaires
Formation de galaxies S0 lenticulaires
Fusions successives
Fusions 8:1 successives
Relaxation et chauffage progressifs :
Sb -> S0 (2 fusions) -> Elliptiques (4 fusions)
Elliptiques et populations stellaires
• Pas de « mélange total » des populations stellaires • Gradients de métallicité radiaux
ou azimuthaux (fusions majeures uniques)
magnitude metallicité
Effets de marée & réponse du gaz
Réponse du gaz au champ de marée :
- contrôlée par la position du compagnon
- dépend de la position des résonances (dont corotation)
Galaxiecompagnon
Disque spiral
Corotation
? comp
? comp
?
r
V a l l é e d e “p o t e n t i e l”
Gaz
Choc arrière
Choc avant
Effets de marée & réponse du gaz
Couples positifs/négatifs selon le rayon.
=> Outflow à l’extérieur de la corotation (s’ajoute au champ de marée)
=> Inflow dans les régions internes
Galaxiecompagnon
Disque spiral
? comp
V a l l é e d e “p o t e n t i e l”
Gaz
Choc arrière
Choc avant
Couple +
Couple –
Effets de marée & réponse du gaz
Outflow à l’extérieur de la corotation : queues de marée
Inflow dans les régions internes : flambée de formation stellaire
Galaxiecompagnon
Disque spiral
Ωcomp
Inflow
Outflow
maréemarée
Queues de marée
Tadpole Galaxy( HST)
Naines de marée
Naines de marée
Accumulations de matière:
– riches en gaz et massives (109MO)
– dans les parties externes des queues– formant des étoiles
=> Galaxies naines en formation ?
Arp 105 (Duc et al. 1994) NGC 7252 (Hibbard et al. 1996)
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 …
Galaxiecompagnon
Disque spiral
Corotation
Ωcomp
Ωcomp
Ω
r
Des « mergers » aux « Starbursts »
Limitation : Le gaz mobilisé est dans la corotation
Cas idéal = corotation à grand rayon
=> Nécessite un compagnon lent (Ω)
=> 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
Ω 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 »
0
2
4
6
SFR (Mo/yr)
T (Myr)
200 4000
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
(Appleton & Struck 1996)
Passage rapide du compagnon au centre du disque Impulsion radiale oscilations radiales
en phase à t=0de période croissante avec r
Anneaux = ondes en expansionTransitoires (sans autogravité)
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 maréeCapture de queues de marée
Collision avec ou sans fusion
Anneaux de gaz et d’étoiles jeunes.
Objet de Hoag
ConclusionsCollision => 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?