GEPI

De la conception instrumentale
à l’exploitation des observables

Thèmes de recherche

 Les travaux de l’équipe concernent les axes prioritaires suivants

L’équipe Physique des galaxies et cosmologie étudie la formation et l’évolution des galaxies ainsi que leur répartition dans l’univers. L’étude de l’histoire de la formation stellaire, du contenu d’hydrogène neutre de galaxies particulières, de la cinématique des galaxies proches et lointaines et des effets d’environnement sur les galaxies font partie de ses objectifs prioritaires.

Les résultats obtenus au cours des quatre dernières années sont les suivants :

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Figure 3
Champ de vitesse du groupe compact HCG31

 1. Groupes, amas et structures à grande échelle

(Contributeurs : C. Balkowski, L. Bottinelli, L. Chemin, N. Coudreau , N. Hallet, J.M. Martin, S. Mei, D. Proust, G. Theureau, W. van Driel)

Groupes

  • Etude de la dynamique des groupes compacts
  • Mise en évidence de la présence de régions HII dans des queues de marée
  • Groupe identifié dans une phase de « pre-merging » (Figure 3).

Effets d’environnement dans l’amas de la Vierge

  • Cinématique de 30 galaxies de l’amas de la Vierge, perturbées par les interactions avec les autres galaxies et par la pression dynamique exercée par le gaz intra-amas .
  • Etude de galaxies affectées par l’environnement dans l’amas en HI, Halpha et radio continuum, mise en évidence des différents processus possibles.
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Figure 4
Galaxies précoces dans Virgo

ACS Virgo and Fornax survey

Les thématiques suivantes ont été introduites par une nouvelle arrivante (S. Mei).

  • Relevé réalisé avec l’Advanced Camera du HST, imagerie d’une centaine de galaxies de type précoce dans l’amas de la Vierge et de Fornax.
  • Détermination de la distance des galaxies précoces à partir de la méthode des fluctuations de brillance de surface.
  • Analyse de la distribution des galaxies de type précoce de l’amas de la Vierge à trois dimensions.

Autres amas à plus grand décalage spectral

  • Etude des amas globulaires et des galaxies naines du centre de l’amas Fornax à partir d’observations obtenues au VLT avec GIRAFFE.
  • Détermination de la cinématique et des populations stellaires de galaxies de type précoce et de faible luminosité dans l’amas A496.
  • Evolution de la relation couleur-magnitude dans des amas à grand décalage spectral
  • Etude des populations stellaires des galaxies de type précoce dans un échantillon de 8 amas à z 1 observés avec le télescope spatiale Hubble (ACS GTO).
  • Etude des effets d’environnements dans le superamas du Lynx à z=1.26.

Etude de superamas et de la distribution des galaxies dans le plan galactique

  • Identification du « grand attracteur », vers lequel se dirige le Superamas local en s’écartant du mouvement général de l’expansion, aux superamas Hydre-Centaure et de Shapley constitués de plusieurs dizaines d’amas de galaxies en interaction.

Echelle des distances extragalactiques et des grandes structures de l’univers - Projet KLUN++

  • Obtention de 5000 spectres HI de galaxies de l’univers local obtenus au radiotélescope de Nançay (voir 3. Bases de données).
  • Obtention des premières cartes du champ des vitesses jamais produites à cette échelle et mesure original du paramètre de densité de matière Omega qui confirme les résultats de WMAP.

 2. Galaxies proches

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Figure 1
courbe de rotation de M31 et contribution des différentes composantes

(contributeurs : C. Balkowski, , L. Chemin, N. Coudreau, I. Fuentes Carrera, H. Flores, N. Hallet, F. Hammer, M. Lehnert, J.M. Martin, M. Puech, D. Valls-Gabaud, W. van Driel)

Cinématique des galaxies proches

  • Projet GHASP : constitution d’un échantillon local de référence de deux cent galaxies pour l’étude de la cinématique et de la dynamique des galaxies proches spirales et irrégulières (collaboration avec le LAM (Marseille) et le LAE (Montréal)).
  • Cinématique des galaxies du projet SINGS (projet Spitzer, PI : R. Kennicutt).
  • Extension de la courbe de rotation de M31 à une distance jamais encore atteinte à partir de mesures HI : une contribution modérée de la matière sombre.
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    Figure 2
    La Voie Lactée comparée avec les spirales de même vitesse de rotation
  • Mise en évidence que la Voie Lactée est une galaxie exceptionnelle par sa taille (rayon), son contenu en étoiles (masse stellaire) et l’abondance des étoiles de son halo (non perturbé et vierge en éléments lourds) : mise en cause de l’utilisation de la Voie Lactée comme galaxie typique dans les modèles et du modèle dit « standard » (ou « séculaire ») de formation des galaxies spirales.
  • Mise en évidence que M31 est une galaxie plutôt similaire aux galaxies spirales actuelles, renforçant le scénario où les interactions dominent : première évaluation de l’impact des interactions sur la formation stellaire (environ les 2/3) à partir de la comparaison Voie Lactée & M31.

Populations stellaires dans les galaxies proches et lointaines

Ce sujet a été initié par un des nouveaux arrivants (D. Valls-Gabaud).

  • Contenu en étoiles variables périodiques (céphéides, binaires) et non-périodiques (novae) dans M31.
  • Caractérisation des populations stellaires des galaxies à z>3.
  • Méthodes statistiques robustes pour la mesure des populations stellaires résolues. Extension vers les populations non résolues (spectres intégrés) et simulations pour les ELTs.
  • Détermination robuste des paramètres astrophysiques des amas globulaires et contraintes sur l’âge de l’univers.
  • Mesure absolue de la distance des Pléiades avec une erreur systématique et statistique plus petite que 1%.

Abondance du gaz dans les galaxies du SDSS (collaboration franco-chinoise)

  • Evaluation comparée des différentes méthodes d’estimation des abondances O/H à partir des grands échantillons du SDSS.
  • Evaluation des abondances via la méthode Te pour des galaxies massives, jusqu’à 2. 1010M☉ : utilisation du rapport OII7325/0II3227 & « stacking » des spectres SDSS ; il en résulte que les méthodes empiriques surestiment les abondances par 0.2 dex.

Galaxies naines et à faible brillance de surface

  • Grande dispersion des masses HI et des luminosités pour un échantillon de galaxies naines fortement déficientes en éléments lourds, cartographie et poursuite des observations multi-longueurs d’onde.
  • Relevés aveugles en raie HI à 21 cm : participation à plusieurs grands relevés au radiotélescope d’Arecibo (USA) - AUDS de champs ultra-profonds, AGES des environnements de champ/groupes/amas et ALFALFA du ciel visible entier ; découverte d’une galaxie sombre potentielle sans contrepartie optique.
  • Recherche multi-longueurs d’onde (optique, HI) de galaxies LSB massives (MHI>1010M☉) ; le nombre connu de ces objets a été triplé.
  • Champs de vitesses de galaxies LSB en Hα et HI (VLA), modèles de masse.
  • Recherche de galaxies LSB sur images CCD à l’aide de nouvelles techniques de traitement d’images.
  • Observations GALEX de galaxies à faible brillance de surface, détermination de la couleur et du taux de formation d’étoiles à l’aide de modèles.

Propriétés des galaxies hôtes des sursauts gamma (galaxies proches)

  • Identification de toutes les galaxies hôtes des sursauts gamma (GRBs) à des galaxies Wolf Rayet : le processus de formation des sursauts « longs » suit la séquence WR (en rotation rapide), SNIc, GRBs.
  • Identification que les sursauts gamma (dont GRB980425) se sont produits dans des régions de faible densité stellaire, à 300-800pc d’un superamas stellaire massif contenant des étoiles WR : proposition d’un scénario d’expulsion des étoiles du supermas (« run-away stars ») pour les GRBs qui pourraient êtres des WR massives éjectées via des processus stochastiques.

Propriétés des amas d’étoiles dans les galaxies en interaction

  • Mise en évidence que les amas stellaires compacts et jeunes des galaxies proches en interaction sont susceptibles de se dissoudre en 106 ans ; confirmation que leur fonction de masse initiale est en accord avec celles d’autres systèmes, suggérant ainsi que les propriétés des régions de formation d’étoiles denses ne sont pas exceptionnelles.

Noyaux actifs de galaxies : suivi de blazars

  • Surveillance systématique des blazars détectés par le télescope gamma HESS en cours avec le radiotélescope décimétrique de Nançay. Mise en évidence de la variabilité sur des durées de l’ordre de la journée.

 3. Galaxies lointaines (z=0.4 à 1) : évolution des galaxies

(Contributeurs : R. Delgado, H. Flores, F. Hammer, B. Neichel, M. Puech, C. Ravikumar, M. Rodrigues, Y. Yang)

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Figure 6
Cinématique anormale, modélisée par une fusion

Ces études sont basées sur la combinaison des données HST /ACS (morphologie), Spitzer/IRAC & MIPS (masse et formation stellaire) et VLT/GIRAFFE & FORS2 (cinématique, chimie du gaz et populations stellaire) pour étudier la physique des galaxies lointaines. Elles incluent la combinaison du suivi des champs CFRS puis GOODS-South dans le cadre d’un Large Program « Intermediate Mass Galaxies Evolutionary Sequence » IMAGES (> 100 galaxies). A noter les contributions essentielles de C. Balkowski, de C. Cesarsky et de M. Lehnert à la mise en place de ce programme.

  • Calibration comparée de la formation stellaire à partir de l’IR et de Halpha : les régions enfouies dans la poussière à z=0.5-1 ne dominent pas la densité cosmique de formation stellaire.
  • Classification morphologique des galaxies lointaines (cartes couleurs, HST) : environ 30% de ces galaxies sont très irrégulières & absence d’évolution du nombre de barres.
  • Mise en évidence que la moitié de la masse stellaire des galaxies s’est formée, depuis les 8 derniers milliards d’années, principalement dans les grandes galaxies spirales.
  • Mise en évidence de l’évolution très rapide des galaxies lumineuses en IR (30 fois plus nombreuses à z=0.6 qu’à z=0) : cela implique que la plupart des galaxies (spirales) ont passé une période durant lesquelles elles étaient lumineuses en IR (LIRGs).
  • Proposition d’un scénario cosmologique pour la formation des spirales, supposant la reconstruction de leurs disques après fusion : celui-ci reproduit les principales évolutions en formation stellaire (LIRGs), en morphologie, en abondance du gaz et en masse stellaire.
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    Figure 5
    Evolution de l’oxygène
  • Evolution de l’oxygène dans les galaxies lointaines, dont les phases gazeuses sont moitié moins abondantes en oxygène que celles des galaxies actuelles : cela correspond à un doublement ou plus du gaz associé aux galaxies, il y a 6 milliards d’années (Figure 5).
  • Spectroscopie GIRAFFE 3D des galaxies à z=0.4-0.75 : les 2/3 des galaxies à raies d’émission modérées ont des cinématiques anormales, non-réductibles à une rotation : beaucoup semblent être des galaxies en fusion.
  • Détermination de l’évolution de la relation de Tully-Fisher à partir de la spectroscopie 3D : la dispersion de la relation est due aux galaxies ayant des cinématiques anormales ; une comparaison à la relation locale (SDSS) montre que les galaxies en rotation ont doublé leurs masses stellaires depuis les 6 derniers milliards d’années.
  • Première détermination observationnelle de l’évolution du moment angulaire et du support dynamique des spirales (V/sigma) : mise en évidence que les disques actuels sont beaucoup plus minces et stables que les disques à z=0.6.
  • Mise en évidence (observations HST+GIRAFFE, classification morpho-cinématique) que les galaxies spirales en rotation étaient 2 à 3 fois moins nombreuses à z=0.6 qu’à z=0.

 4. Galaxies primitives de l’univers lointain et feedback (z=2 à 5)

(Contributeurs : P. Di Matteo, L. Douglas, M. Lehnert, L. Le Tiran, N. Nesvabda, Y. Qu)

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Figure 7
Image (HST/ACS), les contours représentent l’émission OIII détectée par les données SINFONI, et champ de vitesse d’une galaxie à z=3

Cette nouvelle thématique due à l’arrivée de M. Lehnert et du groupe constitué autour de lui, grâce en partie à la bourse d’excellence ANR (La physique de la formation des galaxies : comment les galaxies acquièrent, conservent – ou perdent – leur moment cinétique) renforce la thématique déjà très forte consacrée à l’évolution des galaxies.

  • Estimation du contenu en métaux des galaxies à z 2 montrant que la moitié des métaux est située à l’extérieur des galaxies, suggérant l’importance des éjections dans l’évolution des galaxies
  • Première évidence que la dynamique des galaxies à z 2-3 (Figure 7) est compatible avec aucune ou peu d’évolution du moment angulaire des galaxies. Première évidence d’une courbe de rotation dans les régions centrales d’une galaxie 3 Gyrs après le Big Bang. Les galaxies lointaines ont des densités surfaciques de masse similaire aux bulbes des spirales locales.
  • Evidence directe du rôle joué par les radiosources dans l’évolution des galaxies en montrant que le jet est assez puissant pour participer à la cinématique observée du gaz, mais aussi suffisamment rapide pour expliquer les propriétés des galaxies elliptiques massives.
  • Evidence directe que les éjections dues à des sursauts de formation stellaire sont identiques à bas et haut décalage spectral, toutefois à haut décalage les sources ont une brillance de surface plus élevée, suggérant soit une éjection plus rapide soit des pressions plus élevées.
  • Validité de la relation de Schmidt-Kennicutt dans l’univers lointain.
  • Découverte de la détection CO la plus lointaine (z=5.1) non associée à un AGN ou une galaxie visible.
  • Continuation du travail de pionnier sur la découverte et la caractérisation des galaxies à z 5. Il a été montré que les galaxies à z 5 ont des densités centrales de masse identiques aux galaxies locales, qu’elles ont des masses 10 fois plus faibles que celles des LBGs à z 3, qu’elles sont très jeunes ( 30 Myrs) et qu’elles ont peu d’extinction et une formation stellaire telle qu’elles doivent éjecter de la matière à grande distance. Elles contribuent à environ 1% de la masse locale co-mouvante. A partir de ces résultats on peut dire que ces galaxies représentent les premiers stades de formation des centres denses des galaxies, elles polluent l’IGM avec des métaux et expliquent ainsi le fait que l’IGM à grand décalage spectral semble avoir des quantités importantes de métaux et enfin que l’évolution des galaxies dans l’univers lointain est stochastique.
  • Les sursauts d’émission en provenance de Sgr A* sont de nature synchrotron.
  • Simulations numériques

 5. Paramètres cosmologiques

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Figure 8
Arc lumineux par effet de lentille gravitationnelle dû à une galaxie elliptique lointaine

Thématiques apportées par un nouvel arrivant (D. Valls-Gabaud).

  • Recherche et découverte de MACHOS dans le halo de M31 (collaboration internationale France-Angleterre-USA).
  • Découverte d’une lentille gravitationnelle produite par une galaxie elliptique isolée à redshift z=1 et dans un groupe (Figure 8).
  • Sondage systématique de lentilles gravitationnelles fortes comme test cosmologique.
  • Mesure du paramètre de biais des galaxies dans les sondages 2dF et SDSS (collaboration France-Argentine)
  • Découverte de très longs filaments à z=1 (150 Mpc).
  • Etude des processus de feedback dans les populations galactiques dans des régions très denses à z=1.

 6. Autres thématiques abordées

(J.C. Cuillandre, J. Guibert, P. Jablonka, G. Simon, G. Theureau)

  • Découverte de naines rouges et brunes dans le voisinage solaire à partir du catalogue DENIS.
  • Cinématiques d’étoiles de type T-Tauri à partir de la mesure de mouvements propres.
  • Implication dans le programme pulsars du radiotélescope de Nançay.
  • Imagerie avec MEGACAM au CFHT.
  • Programme EDICS sur les amas.

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