Transcript Cours CNED-2010: Structure et Evolution de l`Univers

Structure et Evolution de
l’Univers
Françoise Combes
Observatoire de Paris
CNED, 24 Mars 2010
Structure et évolution de l'Univers
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Notre position dans l'Univers
Distribution fractale des galaxies
Fond cosmologique à 3K
Big-Bang, Inflation
Formation des galaxies
Simulations Numériques
Matière Noire, Energie Noire
2
Densité des structures dans l’Univers
Système solaire 10-12 g/cm3
Voie Lactée 10-24 g/cm3
Groupe Local 10-28 g/cm3
Amas de galaxies 10-29 g/cm3
Superamas 10-30 g/cm3
Densité des photons (3K) 10-34 g/cm3
Densité critique (W=1) 10-29 g/cm3
3
Tailles dans La Galaxie
Etoiles, R=15kpc= 45 000 al
Gaz, R=50kpc
1AU = 1.5 1013cm
1pc = 3 1018cm
1pc =2 105 AU
4
5
Amas et superamas proches (Jarrett 2004)
Gott et al (03)
Carte Conforme
Logarithmique
"Grand Mur"
Great Wall SDSS
1370 Mpc
80% plus long que
le Great Wall CfA2
6
Grands surveys de galaxies
CfA-2 18 000 spectres de galaxies (1985-95)
SSRS2, APM..
SDSS: Sloan Digital Sky Survey: 1 million de spectres de galaxies
images de 100 millions d'astres, 100 000 Quasars
1/4 de la surface du ciel (2.5m telescope)
Apache Point Observatory (APO), Sunspot, New Mexico, USA
2dF GRS: Galaxy Redshift Surveys: 250 000 spectres de galaxies
AAT-4m, Australia et UK (400 spectres par pose)
7
8
9
Comparaison du CfA2 et SDSS (Gott 2003)
10
Structures fractales dans l’Univers
Les galaxies ne sont pas distribuées de façon homogène
mais selon une hiérarchie
Les galaxies se rassemblent en groupes, puis en amas de galaxies
eux-mêmes inclus dans des superamas (Charlier 1908, 1922,
Shapley 1934, Abell 1958).
En 1970, de Vaucouleurs propose une loi universelle
Densité  taille -a avec a = 1.7
Benoît Mandelbrot en 1975 crée le nom de « fractal »
extension aux structures de l’Univers
Régularité et ordre dans le chaos
11
Paradoxe d’Olbers
Pourquoi le ciel est-il noir?
Dans l’Univers hiérarchique de Charlier, la condition est
Ri+1/Ri > Ni+1
Ou bien, dans le cadre des fractals D > 1
car (Ri+1/Ri)D = N
Projection de fractals avec D > 2  projection dim=2
Il est donc suffisant, pour que les galaxies ne remplissent pas la
surface de l’Univers, que le fractal soit de dimension < 2
En fait, le paradoxe est résolu aussi par le Big-Bang
(univers fini dans le temps) et l’expansion (redshift)
12
Densité des structures dans l’Univers
Système solaire 10-12 g/cm3
Voie Lactée 10-24 g/cm3
Groupe Local 10-28 g/cm3
Amas de galaxies 10-29 g/cm3
Superamas 10-30 g/cm3
Densité des photons (3K) 10-34 g/cm3
Densité critique (W=1) 10-29 g/cm3
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Principe Cosmologique
Après Copernic, personne ne prétend que nous occupons une
position privilégiée
Pourtant, la densité décroît autour de nous
Principe Cosmologique: isotropie et homogénéité
L’Univers est paramétré selon ce principe
(la métrique du référentiel existe)
Préjugé non étayé par les observations?: l’échelle d’ homogénéité
n’a pas encore été atteinte
Fonction de Corrélation à 2 points: loi de puissance de pente g = 1.7
x ( r )  r-g (Peebles 1980, 1993)
14
Quelle est l’échelle limite sup du fractal?
100 Mpc, 500 Mpc?
Corrélations: formalisme inadéquat
(on ne peut pas se servir de la densité)
Densité autour d’un point occupé
G ( r )  r-g
Sur la figure, pente g = -1
Correspondant à D = 2
M ( r ) ~ r2
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Transition vers l’homogénéité
Nombreuses controverses, groupes de Princeton (J. Peebles), et de Rome
(L. Pietronero)
Principal argument pour l’homogénéité: le fond cosmologique à 3K
(Smoot et al 1992)
COBE: fluctuations de 10-5 à 7°
Il doit exister une transition, correspondant aux échelles non-encore
effondrées gravitationellement, découplées (non linéaires)
Transition variable dans le temps
16
Le ciel est uniforme à l=3mm
Une fois le niveau constant soustrait
 dipole ( V = 600km/s)
Après soustraction du dipole,
 la Voie Lactée, émissions
de la poussière, synchrotron, etc..
Soustraction de la Voie Lactée
 fluctuations aléatoires
DT/T ~ 10-5
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Fonds cosmologique à 3K CMB
 2.73K au-dessus de zéro (~ -270° C)
 longueurs d'onde millimétriques/cm ( ~= four micro-onde)
 400 photons/cm3 (10 000 milliards /s/cm2)
 1% de la "neige" sur un poste TV
 Homogène et siotrope à 10-5 près
 Ces anisotropies nous renseignent sur les fluctuations ayant donné
naissance aux galaxies
 Dernière surface de diffusion (380 000 ans après le Big-Bang)
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Spectre du CMB
19
Le Big-Bang
Expansion, loi de Hubble V=HD
Modèles classiques de Friedman
k<0 Hyperbolique
k=0 Parabolique
k>0 Elliptique, fermé
Avec constante
cosmologique L
W = r /r crit
20
Paramètres de
l'Univers
W = r/rcrit
21
Expansion de l'Univers et redshift
22
Nucléosynthèse
primordiale
Yang et al 1984
Contraintes sur le
rapport h
nombres de baryons
sur le nombre de
photons
Wb = 0.05
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Inflation
 Expansion accélérée, exponentielle, de l'Univers, proposée
par Guth (1981)
 Energie de l'inflaton: équivalent à une constante cosmologique L
 Explique l'homogénéité, l'isotropie et la platitude de l'Univers
(W-1) croît avec t
 Résoud le problème de l'horizon, qui croît avec t
or les structures croissent comme R(t) ~ t1/2
 Les fluctuations quantiques sont amplifiées
elles sont à l'origine des fluctuations de matière et des galaxies
24
Horizon de l'Univers
Vous êtes ICI
au centre de
l'Univers visible
Regarder loin
revient à remonter
dans le temps
Jusqu'au Big-Bang
il y a 13.7 milliards
d'années
On ne voit que jusqu'à la
dernière surface de diffusion
25
380 000 ans après le Big-Bang
Solution du
problème
de l'horizon
26
Anisotropies du CMB
Processus physiques simples
gravité, thermodynamique
photons couplés avec le plasma
Régime linéaire
Ondes acoustiques
L'horizon à cette époque est de
1° (COBE a pour résolution 7°)
27
Une simple perturbation
Crée une dépression
 Onde sonore à c /√3
Horizon sonore
à la recombinaison
R~150Mpc
Galaxies
dans les sur-densités
 Ondes acoustiques
28
Multiples perturbations
29
Résultats WMAP
Wm = 0.28
L = 0.72
Wb =0.05
Ho = 71km/s/Mpc
Age = 13.7 Gyr
Univers plat
30
Univers homogène
et isotrope jusqu’à
la recombinaison et la
condensation des structures
Dernière surface de
diffusion à t=380 000 ans
Anisotropies mesurées
dans le fond cosmologique
31
2dF et les
modèles
Spectre de puissance
du 2dF-GRS
+meilleur fit du L-CDM
Wm h = 0.2 est favorisé
Wb/Wm = 0.15
Soit Wm = 0.25, L = 0.75
Peacock (2003)
32
SDSS et l'énergie noire
La comparaison des cartes du survey Sloan de galaxies avec
les cartes WMAP ont permis de détecter des corrélations
L'interprétation est par l'effet ISW (Integrated Sachs-Wolfe)
L'énergie des photons est modifiée par le champ de gravité
A la traversée d'un amas de galaxies (puits de potentiel) les photons
gagnent de l'énergie en tombant (bleuissent) puis rougissent en
remontant
Si la traversée prend un certain temps (100 Myr), l'amas de galaxies
aura eu le temps d'une expansion non négligeable (terme d'énergie
noire L), et son potentiel sera moins profond à la sortie:
 les photons ressortent plus bleus
33
Effet ISW (Integrated Sachs-Wolfe)
34
Découvertes
Récentes
2001 QSO z=6.
absorption continue
2002-06 WMAP
paramètres de l’univers
Réionisation
2004: HUDF (ACS)
Télescope Hubble
Big-Bang
Recombinaison 3 105an
Age Sombre
1éres étoiles, QSO 0.5109an
Renaissance Cosmique
Fin de l'âge sombre
Fin de la reionisation 109an
Evolution des Galaxies
2000-06: VLT
2000-06 Chandra/XMM
NAG & amas
Système solaire 9 109an
35
Aujourd'hui 13.7 109an
Découverte de l’âge sombre de l'univers
Ligne de visée
devant un quasar
Spectre en absorption
Forêt Lyman-alpha
ou absorption
continue totale
Djorgovski et al 01
36
Lentilles gravitationnelles
37
SNe Ia
38
Supernovae à grand redshift
39
Les paramètres de l'Univers
Anisotropies du fonds cosmique (WMAP)
 Univers plat
Observations des SN Ia
Lentilles gravitationnelles
WL=0.7
WM=0.3
Wb=0.05
40
WMAP 5ème année
Vecteurs polarisation
du rayonnement
Renormalisation de s8
plus faible, spectre pas tout
à fait invariant
41
Oscillations
acoustiques
Réionisation
Moins de tes
z=17 WMAP1
 z=11 WMAP3
<TE> Temperature-polarisation
angular cross power spectrum
Anticorrélation 50<l<150
Élimine les défauts topologiques
Confortent les fluctuations
adiabatiques
42
Taille de l’Univers
Si l’univers est multi-connexe
on devrait voir des « copies » dans
le ciel
Pour un univers plat,
Il existe 18 possibilités
Hypertore
(parallélépipédique
faces reliées 2 à 2)
Dodécaèdre de Poincaré
43
identification des faces par twist de 36°
Hypertore
Comment paver l’espace, courbure nulle
Problème quadrupole et octopole
A grande échelle, faible amplitude observée (quadrupole et octopole)
 Un univers fini, qui impose
une taille maximale aux
longueurs d’onde autorisées:
Univers dodécaédrique
de Poincaré
Luminet et al 2003
Pavage
3 sphères par
120 dodécaèdres
45
Contraintes WMAP
Recherche de régions
correspondantes dans
la carte de température
de l’univers
Aucune détection (6 cercles devraient correspondre)
Donne une limite inférieure de la taille de l’Univers à
24 Gpc
 Élimine le modèle dodécaédrique
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Pic acoustique baryonique
Ondes détectées aujourd’hui
dans la distribution des baryons
50 000 galaxies SDSS
Eisenstein et al 2005
47
Schéma de formation des structures
Fluctuations primordiales
fond cosmologique
Structures filamentaires
simulations cosmologiques
Galaxies baryoniques
vues avec le HST
48
Formation des galaxies
instabilité gravitationnelle
Dans un Univers en expansion, les structures ne collapsent
pas de façon exponentielle, mais se développent de façon linéaire
Fluctuations de densité au départ
dr /r << 1
définition dr /r = d
d
Les structures se développent comme le rayon
caractéristique d ~ R(t) ~ (1 + z)
z décalage vers le rouge
(1+z) ~ longueur d’onde des photons
R(t)
10-5
1+z
49
Pour les baryons, qui ne peuvent se développer
qu'après la recombinaison à z ~1000 T ~ 2.76 (1+z) K
le facteur de croissance ne serait que de 103,
 insuffisant, si les fluctuations à cette époque sont de 10-5
Seule la matière noire non-baryonique
(pas d’interaction avec les photons, seulement par la gravité)
peut commencer de se développer avant la recombinaison,
juste après l'équivalence matière-rayonnement
CDM d~1
d
r ~
matière
r ~ R-4 photons
R-3
baryons
E 10-5
R
1+z
50
r ~ R-3 matière
r ~ R-4 photons
Point d’Equivalence E
Rayonnement
r
NEUTRE
Matière
IONISE
104
z
103
51
Fluctuations de densité
Tegmark
et al52 2004
Formation hiérarchique des
galaxies
Les plus petites structures se
forment en premier, de la taille
de galaxies naines ou amas globulaires
Par fusion successive et accrétion
les systèmes de plus en plus massifs
se forment
(Lacey & Cole, 93, 94)
Ils sont de moins en moins denses
M  R2
et r  1/R
53
54
Gaz
Matière noire CDM
Simulations
(Kauffmann et al)
Galaxies
55
4 « phases »
4 Zoom levels
from 20 to 2.5 Mpc.
z = 3. (from. z=10.)
56
Multi-zoom Technique
Objective:
Evolution of a galaxy
(0.1 to 10 kpc)
Accretion of gas
(10 Mpc)
57
Galaxies and Filaments
Multi-zoom
(Semelin & Combes 2003)
58
Hypothèses pour la CDM
Particules qui au découplage ne sont plus relativistes
Particules WIMPS (weakly interactive massive particles)
Neutralinos: particule supersymmétrique la plus légère LSP
Relique du Big-Bang, devrait se désintégrer en gamma
(40 Gev- 5Tev)
Peut-être particules plus légères, ou avec plus d’intéraction
non-gravitationnelles? (Boehm et al 04, 500kev INTEGRAL)
Actions (solution to the strong-CP problem, 10-4 ev)
Trous noirs primordiaux?
59
Hypothèses pour les baryons noirs
Baryons en objets compacts (naines brunes, naines blanches,
trous noirs) sont soit éliminés par les expériences de micro-lensing
ou souffrent de problèmes majeurs
(Alcock et al 2001, Lasserre et al 2000)
Meilleure hypothèse, c’est du gaz,
Soit du gaz chaud dans le milieu intergalactique et inter-amas
Soit du gaz froid au voisinage des galaxies
(Pfenniger & Combes 94)
60
Matière noire dans les amas de galaxies
Dans les amas, le gaz chaud domine la masse visible
La plupart des baryons sont devenus visibles!
fb = Wb / Wm ~ 0.15
La distribution radiale dark/visible est renversée
La masse devient de plus en plus visible avec le rayon
(David et al 95, Ettori & Fabian 99, Sadat & Blanchard 01)
La fraction de masse de gaz varie de 10 à 25% selon les amas
 La masse noire est au centre, et non à l'extérieur, ce qui
infirme les modèles a gravité modifiée MOND
61
Distribution de la fraction de gaz chaud fg dans les amas
L’abscisse est la densité moyenne au rayon r, normalisée
à la densité critique (Sadat & Blanchard 2001)
62
Energie noire, quintessence
Energie quantique du vide?:
Prédictions 120 ordres de grandeur de plus à l’échelle de Planck
56 ordres de grandeur à l’échelle EW (Electro-weak)
Ne domine que très récemment (principe anthropique?)
P= w E
w ~ -1
w =w0 +w1 z
Constante cosmologique r = l /8pG = constante
ou bien r(t) densité dépendant du temps?
 5ème élément ou "Quintessence"
Les 4 autres sont:Photons, Neutrinos (Leptons),Baryons, CDM
Serait-il possible que le 4ème (inconnu) et le 5ème, l'énergie noire
soient la même chose?
Gas de Chaplygin  Quartessence
63
Premières structures de gaz
Après recombinaison, GMC de 105-6Mo collapse et fragmentent
Jusqu’à 10-3 Mo, H2 cooling efficace
L’essentiel du gaz ne forme pas d’étoiles
Mais une structure fractale, en équilibre avec TCMB
Après les premières étoiles, ré-ionisation
Le gaz froid survit pour être assemblé dans les filaments à grande
Échelle, puis les galaxies
Façon de résoudre la « catastrophe de refroidissement »
Régule la consommation du gaz en étoiles
64
Abel et al 2000
Top: log sur-densité
coupe dans le pic
principal
320pc, 32pc
+ vitesses
Bottom: log température
Moins de 1% du gaz
forme des étoiles
65
Réionisation
Percolation progressive des zones ionisées
66
Problèmes dans la formation des galaxies
(paradigme L-CDM)
Prédiction de "cuspides" au centre des galaxies, en particulier
absentes dans les naines Irr, dominées par la matière noire
Faible moment angulaire des baryons, et en conséquence
formation de disques de galaxies 10 fois trop petits
Prédiction d’un grand nombre de petits halos (400
autour de la Voie Lactée), non observés
La solution à ces problèmes viendrait-elle du manque de
réalisme des processus physiques (SF, feedback?), du manque
de résolution des simulations, ou de la nature de la matière noire?
67
Prédictions LCDM: « cusp » ou « core »
Loi de puissance de la densité a ~1-1.5, observations a ~0
68
Moment angulaire et formation des disques
Les baryons perdent leur moment angulaire au profit de la CDM
Paradigme: baryons initialement  même AM spécifique que DM
Le gaz est chaud, chauffé par les chocs à la température Viriel du halo
Une autre façon d’assembler la masse est l’accrétion de gaz froid
Le gaz est canalisé le long des filaments, modérément chauffé par
des chocs faibles, et rayonne rapidement
L’accrétion n’est pas sphérique, le gaz garde son moment angulaire
Gaz en rotation autour des galaxies, plus facile de former des disques
69
Trop de petites
structures
Aujourd’hui, les simulations
CDM prédisent 100 fois
trop de petits halos autour des
galaxies comme la Voie Lactée
70
Autres solutions pour les
courbes de rotation des galaxies
La matière noire peut
résoudre le problème,
mais aussi…..
Une modification de
la loi de Newton
71
MOND: MOdified Newtonian Dynamics
Loi de la gravité modifiée, ou loi de l’inertie (Milgrom 1983)
En-dessous de la valeur de
l’accélération a0~ 2 10-10 m/s-2
gM = (a0 gN)1/2
Potentiel logarithmique
Loi de Tully-Fisher M ~V4
gM2 ~V4/R2 ~ GM/R2
72
Courbes de rotation multiples..
Sanders & Verheijen 1998, tous types, toutes masses
73
Problèmes de MOND dans les amas
Selon la physique des baryons, du gaz froid pourrait se trouver au centre
des amas (flots de refroidissement)
D’autre part, les neutrinos pourrait représenter 2x plus de masse que les
baryons
74
L’amas du boulet
Preuve de l’existence de matière
Non-baryonique?
Gaz X
Masse totale
75
Explicable avec MOND + neutrinos (% habituel, Angus et al 2006)
Mahdavi et al 2007
Abell 520
z=0.201
Rouge= gaz X
Contours= lensing
Cœurs de matière
noire coincident avec X
Mais pas avec galaxies
Cas opposé!
76
Amas en collision Abell 520
Contours=masse totale
Contours = gaz X
Comment les galaxies sont-elles éjectées des pics CDM??
77
Jee et al 2007
CL 0024+17
Contours=lensing
Contours= gaz X
78
Anneau de CDM, CL0024+17
79
Accrétion de gaz froid par les galaxies
Scénario conventionel: chauffage par chocs à Température Viriel
(106 K pour une galaxie comme la Voie Lactée)
Les simulations avec résolution voient 2 modes d'accrétion
Gaz froid le long des filaments, la fraction de gaz froid étant plus
Grande dans les petits halos (MCDM < 3 1011 Mo)
Keres et al
2005
80
Gas froid des filaments
Température
Densité du gaz froid
Arrêt de la formation d'étoiles?
Origine de,la bimodalité?
Dekel & Birnboim (2006)
81
Feedback dû aux Starbursts ou AGN
Di Matteo et al 2005
82
Amas de Persée
Salomé et al 2006
Fabian et al 2003
83
Conclusion
Paramètres de l’Univers: Wm=0.27, dont15% baryons, 85% ??
Le modèle de matière noire CDM, avec L = 0.73 est celui qui
correspond le mieux aux observations, surtout pour les grandes structures
Encore des problèmes non résolus:
 CDM devrait dominer au centre des galaxies avec une cuspide
Problème du moment angulaire des baryons, perdu au
profit de la CDM, et formation des disques
Prédiction d’une multitude de petits halos, non observés
La physique des baryons pourrait résoudre une partie des problèmes
et notamment l’accrétion de gaz froid
84
Ou bien modifications de la gravité