28.E : L'évolution et la distribution des galaxies (exercices)

Pour une exploration plus approfondie

Des articles

Andrews, B. « Qu'est-ce que les galaxies essaient de nous dire ? » Astronomie (février 2011) : 24. Introduction à notre compréhension des formes et de l'évolution de différents types de galaxies.

Barger, A. « La crise de la quarantaine dans le cosmos ». Scientific American (janvier 2005) : 46. Sur la façon dont notre époque diffère de celle des débuts de l'univers en termes de ce que font les galaxies et du rôle que jouent les trous noirs supermassifs.

Berman, B. « L'univers manquant ». Astronomie (avril 2014) : 24. Bref aperçu de la matière noire, de ce qu'elle pourrait être, et des théories modifiées de la gravité qui peuvent également l'expliquer.

Faber, S., et coll. « Regards sur Cosmic Dawn. » Sky & Telescope (juin 2014) : 18. Programmez pour observer les galaxies les plus lointaines et les plus anciennes avec le Hubble.

Geller, M., et Huchra, J. « Cartographier l'univers ». Sky & Telescope (août 1991) : 134. Sur leur projet de cartographie de la localisation des galaxies en trois dimensions.

Hooper, D. « La matière noire à l'ère des découvertes ». Sky & Telescope (janvier 2013) : 26. Sur des expériences visant à déterminer la nature de la matière noire.

James, C.R. « Le champ profond de Hubble : une image qui vaut un billion d'étoiles ». Astronomie (novembre 2015) : 44. Historique détaillé et résultats, ainsi que le champ Hubble Ultra-Deep Field.

Kaufmann, G., & van den Bosch, F. « Le cycle de vie des galaxies ». Scientific American (juin 2002) : 46. Sur l'évolution des galaxies et le développement des différentes formes de galaxies.

Knapp, G. « Mining the Heavens : The Sloan Digital Sky Survey ». Sky & Telescope (août 1997) : 40.

Kron, R., & Butler, S. « Des étoiles et des bandes pour toujours ». Astronomie (février 1999) : 48. Sur le Sloan Digital Survey.

Kruesi, L. « Que savons-nous réellement de la matière noire ? » Astronomie (novembre 2009) : 28. Se concentre sur ce que pourrait être la matière noire et sur les expériences pour le découvrir.

Larson, R., & Bromm, V. « Les premières étoiles de l'univers ». Scientific American (décembre 2001) : 64. Sur l'âge des ténèbres et la naissance des premières étoiles.

Nadis, S. « Exploration de la connexion entre la galaxie et le trou noir ». Astronomie (mai 2010) : 28. À propos du rôle des trous noirs massifs dans l'évolution des galaxies.

Nadis, S. « Les astronomes révèlent la structure cachée de l'univers. » Astronomie (septembre 2013) : 44. Comment la matière noire est l'échafaudage sur lequel repose l'univers visible.

Schilling, G. « Hubble tient la distance ». Sky & Telescope (janvier 2015) : 20. Utilisation de lentilles gravitationnelles avec HST pour observer les galaxies les plus éloignées.

Strauss, M. « Lire les plans de la création ». Scientific American (février 2004) : 54. Sur les études à grande échelle des galaxies et ce qu'elles nous apprennent sur l'organisation de l'univers primitif.

Tytell, D. « Un vaste champ profond : obtenir une vue d'ensemble ». Sky & Telescope (septembre 2001) : 42. Sur l'étude des objets du ciel profond de la NOAO.

Villard, R. « Comment la grande illusion de la gravité révèle l'univers. » Astronomie (janvier 2013) : 44. À propos de la lentille gravitationnelle et de ce qu'elle nous enseigne.

Sites Web

Assemblée des galaxies : http://jwst.nasa.gov/galaxies.html. Informations générales de base sur les galaxies : ce que nous savons et ce que nous voulons apprendre.

Bref historique de la lentille gravitationnelle : www.einstein-online.info/spot... ensing_history. De Einstein OnLine.

Structures cosmiques : skyserver.sdss.org/dr1/en/ast... structures.asp. Brève page de synthèse sur l'organisation des galaxies, tirée du Sloan Survey.

Découverte de la première lentille gravitationnelle : astrosociety.org/wp-content/u... /ab2009-33.pdf. Par Ray Weymann, 2009.

Découvertes de lentilles gravitationnelles grâce au télescope spatial Hubble : http://hubblesite.org/newscenter/arc...tational-lens/. Une liste chronologique de communiqués de presse et d'images.

Groupe local de galaxies : http://www.atlasoftheuniverse.com/localgr.html. Carte cliquable issue du projet Atlas de l'Univers. Voir également leur page Virgo Cluster : http://www.atlasoftheuniverse.com/galgrps/vir.html.

RotCurve : burro.astr.cwru.edu/javalab/R... eWeb/main.html. Essayez d'utiliser des données réelles sur la courbe de rotation des galaxies pour mesurer les halos de matière noire à l'aide de cette simulation d'applet Java.

Site Web du Sloan Digital Sky Survey : http://classic.sdss.org/. Comprend les pièces techniques et non techniques.

Des lunettes d'espionnage dans l'univers : www.spacetelescope.org/scienc... ional_lensing/. Page Hubble sur les lentilles gravitationnelles ; comprend des liens vers des vidéos.

Ampoule de galaxies de la Vierge : http://messier.seds.org/more/virgo.html. Une page contenant de brèves informations et des liens vers des cartes, des images, etc.

Vidéos

Simulations cosmiques : www.tapir.caltech.edu/~phopki... ies_cosmo.html. De magnifiques vidéos avec des simulations informatiques de la formation des galaxies, issues du groupe FIRE.

Cosmologie de l'univers local : http://irfu.cea.fr/cosmography. Survol narré de cartes de galaxies montrant les régions les plus proches de l'univers (17:35).

Lentille gravitationnelle : https://www.youtube.com/watch?v=4Z71RtwoOas. Vidéo du Fermilab, avec le Dr Don Lincoln (7:14).

Comment les galaxies ont été cuites à partir de la soupe primordiale : https://www.youtube.com/watch?v=wqNNCm7SNyw. Conférence publique de 2013 du Dr Sandra Faber de l'observatoire Lick sur l'évolution des galaxies ; dans le cadre de la série de conférences sur l'astronomie de la Silicon Valley (1:19:33).

Hubble Extreme Deep Field repousse les frontières du temps et de l'espace : https://www.youtube.com/watch?v=gu_VhzhlqGw. Brève vidéo de 2012 (2:42).

À l'affût de l'univers en 3D : https://www.eso.org/public/videos/eso1507a/. Vidéo eSOcast 2015 sur la façon dont les très grands télescopes sont utilisés pour explorer le champ ultra-profond de Hubble et en savoir plus sur les galaxies les plus faibles et les plus éloignées (5:12).

Simulation du millénaire : www.mpa.mpa-garching.mpg.de/ga... rgo/millennium. En Allemagne, un superordinateur suit l'évolution d'une grande boîte représentative au fur et à mesure de l'évolution de l'univers.

Films de vol à travers la grande structure locale : www.ifa.hawaii.edu/~tully/. Par Brent Tully.

Shedding Light on Dark Matter : https://www.youtube.com/watch?v=bZW_B9CC-gI. Conférence TED 2008 sur les galaxies et la matière noire par la physicienne Patricia Burchat (17:08).

Films de présentation de Sloan Digital Sky Survey : astro.uchicago.edu/cosmus/projects/sloanmovie/.

Univers virtuel : https://www.youtube.com/watch?v=SY0bKE10ZDM. Un modèle du MIT d'une section de l'univers en évolution, incluant de la matière noire (4:11).

Quand deux galaxies entrent en collision : www.openculture.com/2009/04/w... s_collide.html. Simulation par ordinateur, qui s'arrête à différents points et montre une image Hubble d'un tel système dans la nature (1:37).

Activités de groupe collaboratives

1. Supposons que vous ayez développé une théorie pour rendre compte de l'évolution de New York. Demandez à votre groupe de déterminer si cela ressemblerait au développement de la structure de l'univers (comme nous l'avons décrit dans ce chapitre). Quels éléments de votre modèle pour New York ressemblent au modèle des astronomes pour la croissance de la structure de l'univers ? Quels éléments ne correspondent pas ?
2. La plupart des astronomes pensent que la matière noire existe et qu'elle représente une grande fraction de la matière totale de l'univers. Dans le même temps, la plupart des astronomes ne pensent pas que les ovnis soient la preuve que nous recevons la visite d'extraterrestres venus d'un autre monde. Pourtant, les astronomes n'ont jamais vu de matière noire ni d'OVNI. Pourquoi pensez-vous qu'une idée est largement acceptée par les scientifiques alors que l'autre ne l'est pas ? Selon vous, quelle idée est la plus crédible ? Donnez votre raisonnement.
3. Un membre de votre groupe décrit les levés des galaxies par décalage vers le rouge à un ami, qui dit n'avoir jamais entendu parler d'un tel gaspillage d'efforts. Qui se soucie, demande-t-il, de la structure à grande échelle de l'univers ? Quelle est la réaction de votre groupe et quelles raisons pourriez-vous trouver pour investir de l'argent dans l'organisation de l'univers ?
4. Le dirigeant d'un petit pays très riche est obsédé par les cartes. Elle a rassemblé une fabuleuse collection de cartes de la Terre, acheté toutes les cartes des autres planètes que les astronomes ont assemblées et souhaite maintenant commander la meilleure carte possible de l'univers entier. Votre groupe est sélectionné pour la conseiller. Dans quels types d'instruments et de sondages devrait-elle investir pour produire une bonne carte du cosmos ? Soyez aussi précis que possible.
5. Téléchargez une image haute résolution d'un riche amas de galaxies à partir du télescope spatial Hubble (voir la liste des actualités sur les lentilles gravitationnelles dans la section « Pour une exploration plus approfondie »). Déterminez si votre groupe peut travailler ensemble pour identifier les arcs gravitationnels, c'est-à-dire les images de galaxies d'arrière-plan éloignées déformées par la masse de l'amas. Combien pouvez-vous en trouver ? Pouvez-vous identifier plusieurs images de la même galaxie d'arrière-plan ? (Si un membre du groupe est vraiment intéressé, il existe un projet Citizen Science appelé Spacewarps, dans le cadre duquel vous pouvez aider les astronomes à identifier des lentilles gravitationnelles sur leurs images : https://spacewarps.org. )
6. Vous êtes tellement enthousiasmé par les lentilles gravitationnelles que vous commencez à en parler à un ami intelligent qui n'a pas encore suivi de cours d'astronomie. Après vous avoir écouté, cet ami commence à s'inquiéter. Il explique : « Si les lentilles gravitationnelles peuvent déformer les images des quasars, créant parfois plusieurs images, ou images fantômes, du même objet, alors comment pouvons-nous croire qu'un point lumineux dans le ciel est réel ? Peut-être que la plupart des étoiles que nous voyons ne sont que des images fantômes ou des images à objectif ! » Demandez à votre groupe de discuter de la façon de répondre. (Conseil : pensez à la trajectoire que la lumière d'un quasar a empruntée pour arriver jusqu'à nous et à la trajectoire empruntée par la lumière d'une étoile typique.)
7. Le grand télescope synoptique (LSST) de 8,4 mètres, actuellement en construction au sommet du Cerro Pachón, une montagne du nord du Chili, surveillera le ciel entier avec sa caméra de 3,2 gigapixels tous les deux ou trois jours, à la recherche d'objets transitoires ou temporaires qui font une brève apparition dans le ciel avant de disparaître de la vue, notamment des astéroïdes et des objets de la ceinture de Kuiper dans notre système solaire, ainsi que des supernovae et d'autres phénomènes explosifs à haute énergie dans l'univers lointain. Lorsqu'il sera pleinement opérationnel après 2021, le LSST produira jusqu'à 30 téraoctets de données par nuit. (Un téraoctet correspond à 1 000 gigaoctets, unité que vous utilisez probablement pour évaluer la capacité de votre ordinateur ou de votre clé USB.) Avec votre groupe, réfléchissez aux défis que pourrait représenter, selon vous, le traitement d'une telle quantité de données chaque nuit d'une manière scientifiquement productive mais efficace. Pouvez-vous proposer des solutions à ces défis ?
8. Les quasars sont rares aujourd'hui, mais ils étaient beaucoup plus nombreux lorsque l'univers avait environ un quart de son âge actuel. La formation totale d'étoiles qui se produit dans les galaxies de l'univers a culminé à peu près au même décalage vers le rouge. Votre groupe pense-t-il que c'est une coïncidence ? Pourquoi ou pourquoi pas ?
9. Une façon de voir dans quelle mesure les idées en astronomie (comme celles de ce chapitre) ont pénétré la culture populaire est de voir si vous pouvez trouver des mots astronomiques sur le marché. Une courte recherche sur le Web du terme « matière noire » permet de trouver à la fois une marque de café et une marque d' « accélérateur de croissance musculaire » portant ce nom. Combien d'autres termes utilisés dans ce chapitre votre groupe peut-il trouver dans le monde des produits ? (Quel est le type de téléphone mobile Android le plus populaire, par exemple ?)
10. Quelle est votre adresse complète dans l'univers ? Les membres du groupe doivent écrire leur adresse complète, en se basant sur les informations de ce chapitre (et du reste du livre). Après votre code postal et votre pays, vous pouvez ajouter le continent, la planète, le système planétaire, la galaxie, etc. Ensuite, chaque membre du groupe doit expliquer cette adresse à un membre de la famille ou à un étudiant qui ne fait pas d'astronomie.

Questions de révision

1. En quoi les galaxies lointaines (jeunes) diffèrent-elles des galaxies que nous voyons dans l'univers aujourd'hui ?
2. Quelles sont les preuves que la formation des étoiles a commencé alors que l'univers n'avait que quelques centaines de millions d'années ?
3. Décrivez l'évolution d'une galaxie elliptique. En quoi l'évolution d'une galaxie spirale diffère-t-elle de celle d'une galaxie elliptique ?
4. Expliquez ce que nous entendons lorsque nous appelons l'univers homogène et isotrope. Diriez-vous que la répartition des éléphants sur Terre est homogène et isotrope ? Pourquoi ?
5. Décrivez l'organisation des galaxies en groupes, du groupe local aux superamas.
6. Quelles sont les preuves qu'une grande partie de la matière de l'univers est invisible ?
7. Lorsque les astronomes dressent des cartes de la structure de l'univers aux plus grandes échelles, comment trouvent-ils les superamas de galaxies à organiser ?
8. Comment la présence d'un noyau galactique actif dans une galaxie à explosion d'étoiles affecte-t-elle le processus d'explosion d'étoiles ?

Questions de réflexion

1. Décrivez comment vous pourriez utiliser la couleur d'une galaxie pour déterminer les types d'étoiles qu'elle contient.
2. Supposons qu'une galaxie forme des étoiles pendant quelques millions d'années, puis s'arrête (et qu'aucune autre galaxie n'a fusionné ou n'est entrée en collision avec elle). Quelles seraient les étoiles les plus massives de la séquence principale après 500 millions d'années ? Après 10 milliards d'années ? Comment la couleur de la galaxie changerait-elle au cours de cette période ? (Reportez-vous à l'évolution de la séquence principale aux géantes rouges.)
3. Compte tenu des idées présentées ici sur la formation des galaxies, vous attendriez-vous à trouver une galaxie elliptique géante dans le groupe local ? Pourquoi ou pourquoi pas ? Y a-t-il en fait une elliptique géante dans le groupe local ?
4. Une galaxie elliptique peut-elle évoluer en spirale ? Expliquez votre réponse. Une spirale peut-elle se transformer en elliptique ? Comment ?
5. Si nous voyons une double image d'un quasar produite par une lentille gravitationnelle et que nous pouvons obtenir un spectre de la galaxie qui fait office de lentille gravitationnelle, nous pouvons alors fixer des limites à la distance jusqu'au quasar. Expliquez comment.
6. Le panneau de gauche de la photo miniature du chapitre 27 montre un amas de galaxies jaunes qui produit plusieurs images de galaxies bleues grâce à des lentilles gravitationnelles. Lesquelles sont les plus éloignées : les galaxies bleues ou les galaxies jaunes ? La lumière des galaxies provient des étoiles. En quoi les températures des étoiles qui dominent la lumière des amas de galaxies diffèrent-elles de celles des étoiles qui dominent la lumière de la galaxie à lentilles bleues ? Quelle galaxie est dominée par de jeunes étoiles ?
7. Supposons que vous vous trouviez au centre d'une grande ville densément peuplée, exactement circulaire, entourée d'un cercle de banlieues à faible densité de population, entouré à son tour d'un cercle de terres agricoles. À partir de cet endroit précis, diriez-vous que la répartition de la population est isotrope ? Homogène ?
8. Les astronomes ont créé des cartes en observant une partie de l'univers et en découvrant où se situent les galaxies à l'intérieur de cette tranche. Si l'univers est isotrope et homogène, pourquoi ont-ils besoin de plus d'une tranche ? Supposons qu'ils veuillent maintenant étendre chaque tranche plus loin dans l'univers. Que doivent-ils faire ?
9. La civilisation humaine a environ 10 000 ans, comme en témoigne le développement de l'agriculture. Si votre télescope capte ce soir la lumière des étoiles qui voyage depuis 10 000 ans, cette étoile se trouve-t-elle à l'intérieur ou à l'extérieur de notre Voie lactée ? Est-il probable que l'étoile ait beaucoup changé au cours de cette période ?
10. Étant donné qu'environ 5 % seulement des galaxies visibles dans le champ profond de Hubble sont suffisamment lumineuses pour que les astronomes puissent les étudier par spectroscopie, ils doivent tirer le meilleur parti des 95 % restants. L'une des techniques consiste à utiliser leurs couleurs et leur luminosité apparente pour essayer d'estimer grossièrement leur décalage vers le rouge. Comment pensez-vous que l'imprécision de cette technique d'estimation du décalage vers le rouge (par rapport à la mesure réelle du décalage vers le rouge à partir d'un spectre) pourrait affecter notre capacité à cartographier des structures à grande échelle telles que les filaments et les vides illustrés dans la Figure\(28.3.8\) de la Section 28.3 ?

Se débrouiller par vous-même

1. \(28.3.1\)À l'aide des informations de l'exemple de la section 28.3, dans quelle mesure devrez-vous mesurer un objet plus pâle pour inclure les mêmes types de galaxies dans votre deuxième étude ? N'oubliez pas que la luminosité d'un objet varie selon le carré inverse de la distance.
2. En utilisant les informations de l'exemple\(28.3.1\) de la section 28.3, si les galaxies sont distribuées de manière homogène, combien de fois plus d'entre elles pensez-vous pouvoir compter sur votre deuxième étude ?
3. En utilisant les informations de l'exemple\(28.3.1\) de la section 28.3, combien de temps vous faudra-t-il pour réaliser votre deuxième enquête ?
4. Les galaxies se trouvent dans les « parois » d'immenses vides ; très peu de galaxies se trouvent dans les vides eux-mêmes. Le texte indique que la structure des filaments et des vides est présente dans l'univers peu de temps après le début de l'expansion, il y a 13,8 milliards d'années. En science, nous devons toujours vérifier si une conclusion est contredite par d'autres informations dont nous disposons. Dans ce cas, on peut se demander si les vides se seraient remplis de galaxies en environ 14 milliards d'années. Les observations montrent qu'en plus du mouvement associé à l'expansion de l'univers, les galaxies situées dans les parois des vides se déplacent dans des directions aléatoires à des vitesses typiques de 300 km/s. Au moins certaines d'entre elles se déplaceront dans les vides. Jusqu'où se déplacera une galaxie dans 14 milliards d'années ? Est-il raisonnable de penser que les vides existent depuis 14 milliards d'années ?
5. Calculez la vitesse, la distance et le temps de rétrospective des galaxies les plus éloignées de la Figure de la Section 28.3\(28.3.8\) en utilisant la constante de Hubble donnée dans ce texte et le décalage vers le rouge indiqué dans le diagramme. Souvenez-vous de la formule Doppler pour la vitesse\(\left( v = c \times \frac{\Delta \lambda}{\lambda} \right)\) et de la loi de Hubble (\(v = H \times d\), où\(d\) est la distance par rapport à une galaxie). Pour ces faibles vitesses, vous pouvez négliger les effets relativistes.
6. Supposons que la matière noire soit distribuée uniformément dans la Voie lactée, non seulement dans le halo extérieur, mais également dans le renflement et dans le disque, où vit le système solaire. Quelle quantité de matière noire attendriez-vous à ce qu'il y ait à l'intérieur du système solaire ? Vous attendez-vous à ce que cela soit facilement détectable ? Conseil : Pour le rayon du halo de matière noire de la Voie lactée, utilisez\(R\) = 300 000 années-lumière ; pour le rayon du système solaire, utilisez 100 UA ; et commencez par calculer le ratio des deux volumes.
7. La boîte simulée de filaments et de superamas de galaxies illustrée à la figure\(28.5.3\) de la section 28.5 s'étend sur 1 milliard d'années-lumière. Si vous deviez créer une maquette où cette boîte recouvrait le cœur d'un campus universitaire, disons 1 km, quelle serait la taille de la Voie lactée ? À quelle distance se trouverait la galaxie d'Andromède dans la maquette ?
8. Les premiers objets à s'effondrer gravitationnellement après le Big Bang ont peut-être été des fragments de galaxies de la taille d'un amas globulaire, dont les masses se situent autour des masses\(10^6\) solaires. Supposons que vous en fusionniez deux, puis que vous fusionniez deux pièces plus grandes, et ainsi de suite, à la manière du Lego, jusqu'à atteindre une masse de la Voie lactée, à peu près des masses\(10^{12}\) solaires. Combien de générations de fusion cela prendrait-il et combien de pièces originales ? (Astuce : pensez aux pouvoirs de 2.)