Des Galaxies de toutes les couleurs (et de toutes les formes et plus ou moins lointaines)

1. Des Galaxiesde toutes les couleurs(et de toutes les formeset plus ou moins lointaines) Denis Burgarella Observatoire Astronomique Marseille - Provence

2. Plan • Définition de la couleur • Quelques illustrations d’observations de couleurs et leur interprétation • La température en astrophysique • La couleur et la forme des galaxies • Un paramètre supplémentaire : la distance

3. 1. Définition de la couleur • Petit Larousse : sensation produite sur l' oeilpar les radiations constitutives de la lumièretelles qu’elles sont absorbées ou réfléchies par les corps. • Lumière : au sens commun du terme, c'est la partie visible (et infime) d'un phénomène plus vaste : les ondes électro-magnétiques. Une onde électro-magnétique peut se définir par la donnée de sa longueur d'onde (  ). C'est une grandeur qui s'exprime en unité de longueur, du millionième de millionième de mètre au kilomètre.

4. Lumière chromatique et lumière composée • Une lumière monochromatique est constituée d'une seule longueur d'onde. Par exemple, une lampe n'émettant qu'un rayonnement de longueur d'onde de 0,57 µm émet une lumière monochromatique. Elle sera perçue comme une lampe jaune. On parle de couleur pure. • Une lumière composée est une lumière constituée de plusieurs longueurs d'ondes. La lumière solaire est composée: elle est constituée d'un ensemble continu de rayonnements.

5. 2. Quelques illustrations d’observations de couleurs et leur interprétations

6. Pourquoi le ciel est bleu ? • L'atmosphère est composée d'oxygène, d'azote, et d'autres gaz qui ne pas laisse pas passer la partie bleue de la lumière venant du soleil. Cette composante bleue est partiellement "captée" par les molécules de l'atmosphère puis diffusée dans toutes les directions. Une partie de cette lumière bleue, après de nombreux réflexions finit par arriver sur Terre, mais plus dans l'axe du soleil. • Résultat: le ciel nous semble bleu, alors qu'il s'agit d'une partie de la lumière solaire qui nous parvient indirectement.

7. Pourquoi le Soleil est jaune ? • Hors de l’atmosphère terrestre, le soleil est blanc, pas jaune ! Comme l'atmosphère diffuse sa composante bleue, la lumière blanche du soleil, en arrivant sur Terre, est peu à peu "filtrée": du blanc, un peu de bleu est retiré, puis un peu plus, puis encore un peu plus... Et le soleil nous paraît jaunâtre, c'est-à-dire du blanc auquel on a enlevé du bleu. • Le soleil a la couleur complémentaire de celle du ciel. Si l'atmosphère avait eu l'idée de diffuser le magenta, nous vivrions sous un ciel couleur rose, éclairés par un soleil... émeraude !

9. II

10. III

11. IV

12. V

13. VI

14. VI

15. VII

16. Le spectre électromagnétique Rayons gamma X UV visible IR radio Taille proton atome bactérie humain Terre  1Ang 1m 1cm 1m 1km 104km Fréquence 1014 105 100 10 1 1 GHz GHz GHz MHz kHz Hz Au delà du visible : l’invisible • Parmi les ondes électro-magnétiques que nous ne pouvons pas voir, il y a (entre autres) : • les rayons X • les ultra-violets (responsables de notre bronzage) • les infra-rouges (que nous ne voyons pas, mais que nous pouvons ressentir sous forme de chaleur), • les ondes radio. Notre oeil n'est sensible qu'aux rayonnements dont la longueur d'onde se situe grossièrement entre 0,38 et 0,75 millionièmes de mètre (0,38m <  < 0,75µm). • Selon la valeur de , nous percevons le rayonnement comme une lumière d'une certaine couleur. • Ainsi, si vous regardez une lampe qui émet une lumière de longueur d'onde 0,4 µm, vous la verrez violette. Si elle émet une longueur d'onde plus petite, vous ne verrez rien: c'est en-deçà de ce que vous pouvez percevoir (en l'occurence, il s'agit d'ultraviolets).

17. La couleur de la lumière émise par un objet est une indication de la température (exemple : IR) • Le domaine visible (0.6 m) correspond à des températures de l’ordre de 5000 degrés • Le domaine IR (10 m) correspond à des températures de l’ordre de 300 degrés

18. Loi de Wien : relation entre longueur d’onde d’émission et température La loi de Wien permet de remonter à la température (en Kelvin) à partir de la couleur : max  T = 3000 m.K

19. Quelle couleur de vêtement pour l’hiver ? Le mot « BLACK » absorbe la lumière, ce mot se réchauffe donc et re-émet dans l’IR. La feuille blanche n’absorbe quasiment pas et réfléchit tout : elle a (presque) la même couleur que le Soleil.

20. Quelques images d’objets « habituels » dans l’InfraRouge Faire rebondir le ballon Lorsque le ballon rebondit, il s’échauffe

21. Quelques images d’animaux dans l’InfraRouge

22. 3. La température en astrophysique

23. ultraviolet infrarouge visible Rayons X radio La Lune

24. UV Rayons X visible radio infrarouge Notre étoile : le Soleil

25. Les étoiles • Les étoiles évoluent avec le temps • Au cours de son évolution, les caractéristiques des étoiles changent (température, rayon, couleur, etc.) • L’observation d’un champ stellaire évolue donc avec le temps (à l’échelle de plusieurs centaines de millions ou années)

26. Les étoiles n’ont pas toutes la même couleur • Dans la constellation d’Orion, Betelgeuse est plus rouge (géante rouge) • Différentes phases d’évolution stellaire

27. La constellation d’Orion vue en fonction de la longueur d’onde visible infrarouge

28. Evolution stellaire d’une étoile • La vitesse d’évolution dépend de la masse : +massive et +grosse  évolution+rapide t = 0 Soleil Relation couleur - masse pour les étoiles t = 1010 ans

29. Observation dans le “Vert” Observation dans le “Bleu” Observation multi-longueurs d’onde Observation dans le “Rouge” 4. La couleur et la forme des galaxies

30. Classication des Galaxies : Retour aux Origines 1926, ApJ 64, 321 1926, ApJ 64, 321 3 % are irregular 2 sections : ellipticals & spirals

31. La Séquence de Hubble dans le Visible ~ 80 % sont spirales

32. La Voie Lactée

33. La Voie Lactée

34. M81 en UV M81 en IR visible 2m M81 en R La forme des Galaxies est-elle constante ? M87 en IR … et en R

35. M31 en rayons X 2 degrés • Habituellement, les galaxies normales (comme M31 et la Voie Lactée) émettent très peu de rayons X. • Emission X dans le disque provient de systèmes binaires en interaction / trou noirs ou de galaxies lointaines derrière M31

36. M31 en ultraviolet • Dans l’ultraviolet, on observe les jeunes étoiles chaudes qui se trouvent dans les bras des galaxies spirales où a lieu la formation stellaire récente. • Le bulbe contient des étoiles plus vieilles et plus froides qui sont invisibles en UV • L’UV suit la formation stellaire récente.

37. M31 en visible • Dans le domaine visible, nous observons essentiellement des étoiles « froides » vers 10000K (c’est à dire a peu près comme le Soleil !) • Le disque et le bulbe de M31 sont très lumineux à ces longueurs d’onde.

38. M31 en infrarouge • Cette image prise par le satellite ISO à 175 microns fait apparaître les zones de poussière chauffées par les étoiles jeunes • Ce sont donc les bras de M31 que nous voyons ici (un peu comme en UV) • UV et IR (100m) sont des indicateurs de formation stellaire

39. M31 en continu radio • Le cœur et l’anneau de M31 sont encore les plus lumineux. • Lors de leur explosion, les supernovae émettent du rayonnement en radio (synchrotron : des particules nucléaires à haute énergie, qui se déplacent dans des champs magnétiques, émettent des ondes; il s'agit d'électrons se déplaçant dans un champ magnétique)

40. La galaxie d’Andromède : M 31 UV X visible radio IR

41. Un modèle schématique (et simpliste) des galaxies spirales « normales » • La distribution des populations stellaires dans les galaxies crée des changements morphologiques avec la longueur d’onde (la couleur) • Les galaxies spirales typiques, comme la Voie Lactée ou Andromède, sont composées de 3 groupes : bulbe (étoiles vieilles et rouges), disque (étoiles jeunes et bleues) et halo (étoiles vieilles et rouges).

42. Un modèle simple d’une galaxie spirale Amas globulaires halo 10000 a.l. bulbe disque 15000 a.l. 100000 a.l.

43. Le modèle observé dans le rouge halo bulbe disque

44. Le modèle observé en ultraviolet halo bulbe disque

45. M51 : les chiens de chasse UV X radio visible IR

46. M87 : galaxie elliptique géante au centre de l’amas de la Vierge X UV radio visible IR

47. Modèle schématique d’une galaxie elliptique • Les galaxies elliptiques contiennent une seule sorte d’étoile : des étoiles vieilles et rouges. • Il n’y a plus de gaz et de poussière dans les galaxies elliptiques

48. Le modèle observé en ultraviolet et en rouge rouge UV

49. Centaurus A: deux galaxies en fusion X UV visible radio IR

50. Après l’interaction …