Faculté des arts et des sciences Département de physique Astronomie Extragalactique Cours 11 : Simulations et observations Structure à grande échelle Paramètres cosmologiques WMAP.
Download ReportTranscript Faculté des arts et des sciences Département de physique Astronomie Extragalactique Cours 11 : Simulations et observations Structure à grande échelle Paramètres cosmologiques WMAP.
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Astronomie Extragalactique
Cours 11 : Simulations et observations Structure à grande échelle Paramètres cosmologiques WMAP
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Modèle standard
• Le modèle de matière sombre froide (Cold Dark Matter) avec constante cosmologique L (ou énergie sombre) L CDM est le paradigme actuellement accepté pour expliquer la formation et les structures de l’Univers • Avec la théorie d’inflation cosmique (expansion d’un facteur >10 26 à t ~10 -35 sec), cette théorie fait une prédiction claire des conditions initiales pour la formation des structures et prédit que les structures vont grossir de façon hiérarchique grâce à des instabilités gravitationnelles (à partir
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Large Surveys
Faculté des arts et des sciences Département de physique
2dFGRS
• 2dFGRS ( 2dF Galaxy Redshift Survey ): spectres de 245 591 objets (b J < 19.45) couvrant 1500 degrés carrés obtenus au AAT (Colless et al. 2001)
Faculté des arts et des sciences Département de physique
2dFGRS
Faculté des arts et des sciences Département de physique
2dFGRS
2dFGRS web page
Faculté des arts et des sciences Département de physique
2dFGRS
Faculté des arts et des sciences Département de physique
2dFGRS
CfA survey Coma
Faculté des arts et des sciences Département de physique
2dFGRS
Faculté des arts et des sciences Département de physique
2dFGRS
Faculté des arts et des sciences Département de physique
2dFGRS
Faculté des arts et des sciences Département de physique
2dFGRS
Faculté des arts et des sciences Département de physique
2dFGRS
Faculté des arts et des sciences Département de physique
SDSS
10 6 spectres / 10 4 degrés carrés = 100 spectres par degré carré!
On utilise 2 spectrographes multi fibres identiques chacun ayant 320 fibres couvrant les longueurs d’onde de 3900-9100 A Chaque spectrographe a deux caméras, une pour le rouge et une pour le bleu avec un détecteur CCD de 2048 x 2048 Maximum de 5760 spectres durant une longue nuit
Faculté des arts et des sciences Département de physique
SDSS
Spectre du quasar le plus distant (à l’époque) que l’on connaisse à z = 5.82
Faculté des arts et des sciences Département de physique
SDSS
Faculté des arts et des sciences Département de physique
SDSS
• Les grands surveys permettent de mesurer le • Le spectre de puissance P(k) mesure la strength of clustering on all scales (nombre d’onde k) • P(k) est essentiellement le carré de la transformée de Fourier de la distribution en densité des galaxies • Besoin d’un grand volume pour l’étudier sur toutes les échelles et s’affranchir des effets de bord • La forme et l’amplitude de P(k) contraint la formation des structures et leur évolution
Faculté des arts et des sciences Département de physique
SDSS
Faculté des arts et des sciences Département de physique
2dFGRS vs SDSS
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Simulations (projet Millenium)
• Le projet Millenium est la plus grande simulation de la formation des structures dans la cosmogonie L CDM • Elle utilise 10 100h -1 10 particules pour suivre la distribution de la matière sombre dans un cube Mpc de côté avec une résolution de 5h -1 kpc du redshift z=127 jusqu’à z=0 • Elle permet l’étude de la formation et de l’évolution de ~10 7 galaxies plus lumineuses que le SMC
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Simulations (Millenium project)
cosmic web
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Simulations (projet Millenium)
• La composante de masse dominante, la matière sombre froide (CDM), est supposée être constituée de particules élémentaires qui n’interagissent que par la gravité • Donc, le fluide de matière sombre sans collisions peut être représenté par un nombre discrets de particules ponctuelles • La simulation peut prédire les positions, les vitesses et les propriétés intrinsèques de toutes les galaxies plus brillantes que le SMC dans des volumes comparables aux plus grands surveys (2dFGRS, SDSS)
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Simulations (projet Millenium)
• La simulation peut montrer les liens évolutifs entre les objets observés à différentes époques.
• p.e., la simulation démontre que les galaxies avec un trou noir supermassif au centre peuvent se former très tôt dans l’hypothèse L CDM et être les hôtes des premiers QSO et que ceux-ci se retrouveront au centre d’amas riches (cD)
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Amoncellement hiérarchique
Galaxie en formation Galaxie mature Galaxie jeune HDF
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Amoncellement hiérarchique
Galaxie jeune
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Amoncellement hiérarchique + mergers
• Interaction & mergers vont comme (1+z) 4 • Interaction & mergers très importants dans le passé • Aujourd’hui: évolution séculaire plus importante
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Hierarchical clustering
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Hierarchical clustering
2dGRS
Faculté des arts et des sciences Département de physique • Ce film montre de matière sombre dans l’Univers présentement • Le film zoom sur un amas de galaxies massif • Les échelles vont du Gpc à ~10 kpc
Faculté des arts et des sciences Département de physique Visualisation 3-D de la simulation Millennium
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Rich Clusters Groups Galaxies
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Simulations (projet Millenium)
dark luminous
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Simulations (projet Millenium)
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Simulations (projet Millenium)
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Simulations (projet Millenium)
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Simulations (projet Millenium)
Distribution de la matière sombre Distribution des galaxies lumineuses
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Simulations (projet Millenium)
Faculté des arts et des sciences Département de physique
WMAP et la mesure des anisotropies du rayonnement de fond cosmologique
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Histoire de l’univers
Faculté des arts et des sciences Département de physique • • •
Rayonnement de fond cosmologique
Derniers photons diffusés au moment du découplage dû à la re(?)combinaison des e avec les noyaux Rayonnement de corps noir à 2.725 K Mesures faites par COBE (rayonnement très isotrope):
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Anisotropies
Différence entre les régions les plus chaudes et les moins chaudes de l’ordre de 0.0005K
Régions de haute densité au moment de la dernière diffusion plus chaudes, régions de moindre densité plus froides.
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Origine des anisotropies
• Variations dans le potentiel gravitationnel dues aux variations de densité créées par des fluctuations quantiques agrandies par l’inflation.
•Avant la recombinaison T > 3000K: fluide (plasma) de photons et baryons • La gravité tend à comprimer le fluide dans les puits de potentiel des régions de haute densité, et la pression de radiation résiste.
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Recombinaison
• Lorsque T < 3000 K, les électrons libres qui emprisonnaient les photons dans le fluide ‘disparaissent’ pour former les atomes d’hydrogène.
• Les photons quittent les régions de compression ou de raréfaction à cette époque (dernière diffusion) régions de haute ou de basse température dans le rayonnement de fond.
• Les pics forment une série harmonique en nombre d’onde • Les photons subissent aussi un redshift quand ils sortent des puits de potentiel.
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Modes des ondes acoustiques
Depuis l’inflation jusqu’à la recombinaison (~300000 ans), les ondes ont pu osciller un certain nombre de fois avant de geler.
Chaque mode donne une grandeur caractéristique entre les extrema, traduite en angles vus sur le ciel (1 ° pour le premier mode et plus petit pour les autres). Il est usuel d’exprimer les anisotropies de température du rayonnement de fond sur le ciel comme une expansion en harmoniques sphériques:
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Décomposition en multipôles
Faculté des arts et des sciences Département de physique Pics • Au temps de recombinaison, les pics pairs sont au maximum de raréfaction, les pics impairs, au maximum de compression • Les positions des pics de ce spectre fournissent énormément d’informations.
Faculté des arts et des sciences Département de physique
1
er
pic
1 er pic (k = p / s): 1 ere compression lors de la dernière diffusion.
Pour un univers ouvert, l’horizon sonique va correspondre à un angle plus petit… Détemination de la courbure selon la position du premier pic !
Faculté des arts et des sciences Département de physique
2
ème
pic
Plus le nombre de baryons est grand dans le plasma, plus la compression est grande par rapport à la raréfaction. Le rapport entre le 1 er et le 2 eme pic nous donne le nombre de baryons.
Faculté des arts et des sciences Département de physique
3
ème
pic
Le troisième pic nous donne le rapport entre matière et radiation. On connaît la quantité de baryons, on connaît la quantité de radiation, on peut donc en extraire la quantité de matière sombre.
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Pics: résumé
plateau Sachs-Wolfe
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Résultats de WMAP
Faculté des arts et des sciences Département de physique
Résultats (WMAP + autres mesures)
• L’univers a 13.7 milliards d’années (1%) • Premières étoiles: 200 millions d’années • Surface de dernière diffusion: 379 000 ans • Contenu de l’univers: – 4 % atomes – 23% matière sombre froide – 73% énergie sombre – Contraintes sur l’énergie sombre: constante cosmologique • Valeur de la constante de Hubble: 71 km/sec/Mpc (5%) • Nouvelle preuve de l’inflation • Univers plat
Faculté des arts et des sciences Département de physique