Cosmologie L’étude de l’univers - structure, taille, caractéristiques.
Structure et Evolution de l’Univers
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Transcript of Structure et Evolution de l’Univers
Structure et Evolution de l’Univers
Françoise Combes
Observatoire de Paris
CNED, 24 Mars 2010
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Structure et évolution de l'Univers
• 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
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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 (=1) 10-29 g/cm3
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Tailles dans La Galaxie
Etoiles, R=15kpc= 45 000 al
Gaz, R=50kpc
1AU = 1.5 1013cm1pc = 3 1018cm
1pc =2 105 AU
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Amas et superamas proches (Jarrett 2004)
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Gott et al (03)Carte ConformeLogarithmique
"Grand Mur"Great Wall SDSS1370 Mpc
80% plus long quele Great Wall CfA2
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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 galaxiesimages de 100 millions d'astres, 100 000 Quasars1/4 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)
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10Comparaison du CfA2 et SDSS (Gott 2003)
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Structures fractales dans l’Univers
Les galaxies ne sont pas distribuées de façon homogènemais selon une hiérarchieLes galaxies se rassemblent en groupes, puis en amas de galaxieseux-mêmes inclus dans des superamas (Charlier 1908, 1922,Shapley 1934, Abell 1958).
En 1970, de Vaucouleurs propose une loi universelle
Densité taille - avec = 1.7
Benoît Mandelbrot en 1975 crée le nom de « fractal » extension aux structures de l’UniversRégularité et ordre dans le chaos
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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 > 1car (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 lasurface 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)
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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 (=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 homogénéitéL’Univers est paramétré selon ce principe (la métrique du référentiel existe)
Préjugé non étayé par les observations?: l’échelle d’ homogénéitén’a pas encore été atteinte
Fonction de Corrélation à 2 points: loi de puissance de pente ( r ) r-(Peebles 1980, 1993)
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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
( r ) r-
Sur la figure, pente = -1 Correspondant à D = 2
M ( r ) ~ r2
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Transition vers l’homogénéitéNombreuses 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-encoreeffondrées gravitationellement, découplées (non linéaires)
Transition variable dans le temps
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Le ciel est uniforme à =3mm
Une fois le niveau constant soustrait dipole ( V = 600km/s)
Après soustraction du dipole, la Voie Lactée, émissionsde la poussière, synchrotron, etc..
Soustraction de la Voie Lactée fluctuations aléatoires
T/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
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Le Big-Bang
Modèles classiques de Friedmank<0 Hyperboliquek=0 Paraboliquek>0 Elliptique, fermé
Avec constante cosmologique
crit
Expansion, loi de Hubble V=HD
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Paramètres de l'Univers
crit
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Expansion de l'Univers et redshift
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Nucléosynthèse primordiale
Yang et al 1984
Contraintes sur lerapport nombres de baryonssur le nombre de photons
b = 0.05
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Inflation
Expansion accélérée, exponentielle, de l'Univers, proposéepar Guth (1981)
Energie de l'inflaton: équivalent à une constante cosmologique
Explique l'homogénéité, l'isotropie et la platitude de l'Univers(-1) croît avec t
Résoud le problème de l'horizon, qui croît avec tor 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
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Horizon de l'Univers
Vous êtes ICI au centre del'Univers visible
Regarder loinrevient à remonterdans le temps
Jusqu'au Big-Bangil y a 13.7 milliardsd'années
On ne voit que jusqu'à ladernière surface de diffusion380 000 ans après le Big-Bang
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Solution du problème
de l'horizon
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Anisotropies du CMB
Processus physiques simplesgravité, thermodynamiquephotons couplés avec le plasma
Régime linéaireOndes acoustiques
L'horizon à cette époque est de1° (COBE a pour résolution 7°)
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Crée une dépression
Onde sonore à c /√3 Horizon sonoreà la recombinaison
R~150Mpc
Galaxies
dans les sur-densités
Ondes acoustiques
Une simple perturbation
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Multiples perturbations
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Résultats WMAP
m = 0.28 = 0.72b =0.05Ho = 71km/s/Mpc
Age = 13.7 GyrUnivers plat
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Univers homogène et isotrope jusqu’àla recombinaison et lacondensation des structures
Dernière surface de diffusion à t=380 000 ans
Anisotropies mesuréesdans le fond cosmologique
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2dF et les modèles
m h = 0.2 est favoriséb/m = 0.15
Soit m = 0.25, = 0.75Peacock (2003)
Spectre de puissancedu 2dF-GRS
+meilleur fit du -CDM
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SDSS et l'énergie noire
La comparaison des cartes du survey Sloan de galaxies avecles 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 photonsgagnent de l'énergie en tombant (bleuissent) puis rougissent en remontant
Si la traversée prend un certain temps (100 Myr), l'amas de galaxiesaura eu le temps d'une expansion non négligeable (terme d'énergienoire ), et son potentiel sera moins profond à la sortie: les photons ressortent plus bleus
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Effet ISW (Integrated Sachs-Wolfe)
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DécouvertesRécentes
Big-Bang
Recombinaison 3 105an
Age Sombre
1éres étoiles, QSO 0.5109an
Renaissance Cosmique
Fin de l'âge sombreFin de la reionisation 109an
Evolution des Galaxies
Système solaire 9 109an
Aujourd'hui 13.7 109an
2001 QSO z=6. absorption continue
2002-06 WMAPparamètres de l’universRéionisation
2004: HUDF (ACS)Télescope Hubble
2000-06: VLT2000-06 Chandra/XMMNAG & amas
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Découverte de l’âge sombre de l'univers
Ligne de viséedevant un quasar
Spectre en absorption
Forêt Lyman-alpha
ou absorption continue totale
Djorgovski et al 01
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Lentilles gravitationnelles
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SNe Ia
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Supernovae à grand redshift
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Les paramètres de l'Univers
Anisotropies du fonds cosmique (WMAP) Univers plat
Observations des SN Ia
Lentilles gravitationnelles
=0.7M=0.3b=0.05
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WMAP 5ème année
Vecteurs polarisationdu rayonnement
Renormalisation de 8
plus faible, spectre pas toutà fait invariant
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Oscillations acoustiques
<TE> Temperature-polarisationangular cross power spectrum
Anticorrélation 50<l<150Élimine les défauts topologiquesConfortent les fluctuations adiabatiques
RéionisationMoins de es
z=17 WMAP1 z=11 WMAP3
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Taille de l’Univers
Si l’univers est multi-connexeon devrait voir des « copies » dansle ciel
Pour un univers plat,Il existe 18 possibilités
Hypertore(parallélépipédique faces reliées 2 à 2)
Dodécaèdre de Poincaréidentification des faces par twist de 36°
Hypertore
Comment paver l’espace, courbure nulle
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Problème quadrupole et octopole
A grande échelle, faible amplitude observée (quadrupole et octopole)
Un univers fini, qui imposeune taille maximale auxlongueurs d’onde autorisées:Univers dodécaédriquede PoincaréLuminet et al 2003
Pavage3 sphères par120 dodécaèdres
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Contraintes WMAP
Recherche de régionscorrespondantes dansla carte de températurede l’univers
Aucune détection (6 cercles devraient correspondre)Donne une limite inférieure de la taille de l’Univers à24 Gpc Élimine le modèle dodécaédrique
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Pic acoustique baryonique
Eisenstein et al 2005
Ondes détectées aujourd’huidans la distribution des baryons
50 000 galaxies SDSS
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Schéma de formation des structures
Fluctuations primordialesfond cosmologique
Structures filamentairessimulations cosmologiques
Galaxies baryoniquesvues avec le HST
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Formation des galaxies instabilité gravitationnelle
Dans un Univers en expansion, les structures ne collapsentpas de façon exponentielle, mais se développent de façon linéaire
Fluctuations de densité au départ / << 1 définition / =
Les structures se développent comme le rayon caractéristique ~ R(t) ~ (1 + z)
z décalage vers le rouge(1+z) ~ longueur d’onde des photons
1+z
10-5
R(t)
50
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
~ R-3 matière ~ R-4 photons
1+z
CDM ~1
baryons
E R10-5
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104 z 103
NEUTRE
Rayonnement
Matière
IONISE
~ R-3 matière ~ R-4 photons Point d’Equivalence E
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Fluctuations de densité
Tegmarket al 2004
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Formation hiérarchique des galaxies
Les plus petites structures seforment en premier, de la taillede galaxies naines ou amas globulaires
Par fusion successive et accrétion les systèmes de plus en plus massifsse forment(Lacey & Cole, 93, 94)
Ils sont de moins en moins denses
M R2 et 1/R
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Matière noire CDM
Gaz
GalaxiesSimulations(Kauffmann et al)
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4 « phases »
4 Zoom levels
from 20 to 2.5 Mpc.
z = 3. (from. z=10.)
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Multi-zoom Technique
Objective:
Evolution of a galaxy (0.1 to 10 kpc)
Accretion of gas (10 Mpc)
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Galaxies and Filaments
Multi-zoom(Semelin & Combes 2003)
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Hypothèses pour la CDM
Particules qui au découplage ne sont plus relativistesParticules WIMPS (weakly interactive massive particles)
Neutralinos: particule supersymmétrique la plus légère LSPRelique du Big-Bang, devrait se désintégrer en gamma(40 Gev- 5Tev)
Peut-être particules plus légères, ou avec plus d’intéractionnon-gravitationnelles? (Boehm et al 04, 500kev INTEGRAL)
Actions (solution to the strong-CP problem, 10-4 ev)Trous noirs primordiaux?
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Hypothèses pour les baryons noirs
Baryons en objets compacts (naines brunes, naines blanches,trous noirs) sont soit éliminés par les expériences de micro-lensingou 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-amasSoit du gaz froid au voisinage des galaxies(Pfenniger & Combes 94)
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Matière noire dans les amas de galaxies
Dans les amas, le gaz chaud domine la masse visibleLa plupart des baryons sont devenus visibles!
fb = b / m ~ 0.15
La distribution radiale dark/visible est renverséeLa 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
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Distribution de la fraction de gaz chaud fg dans les amasL’abscisse est la densité moyenne au rayon r, normaliséeà la densité critique (Sadat & Blanchard 2001)
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Energie noire, quintessence
Energie quantique du vide?:Prédictions 120 ordres de grandeur de plus à l’échelle de Planck56 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 = /8G = constanteou bien (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 noiresoient la même chose?
Gas de Chaplygin Quartessence
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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’étoilesMais une structure fractale, en équilibre avec TCMB
Après les premières étoiles, ré-ionisation
Le gaz froid survit pour être assemblé dans les filaments à grandeÉchelle, puis les galaxies
Façon de résoudre la « catastrophe de refroidissement »
Régule la consommation du gaz en étoiles
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Abel et al 2000
Top: log sur-densitécoupe dans le picprincipal320pc, 32pc
+ vitesses
Bottom: log température
Moins de 1% du gazforme des étoiles
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Réionisation
Percolation progressive des zones ionisées
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Problèmes dans la formation des galaxies (paradigme -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 manquede résolution des simulations, ou de la nature de la matière noire?
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Prédictions CDM: « cusp » ou « core »
Loi de puissance de la densité ~1-1.5, observations ~0
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Moment angulaire et formation des disques
Les baryons perdent leur moment angulaire au profit de la CDM
Paradigme: baryons initialement même AM spécifique que DMLe 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 angulaireGaz en rotation autour des galaxies, plus facile de former des disques
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Trop de petites structures
Aujourd’hui, les simulationsCDM prédisent 100 foistrop de petits halos autour desgalaxies comme la Voie Lactée
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Autres solutions pour lescourbes de rotation des galaxies
La matière noire peut résoudre le problème,
mais aussi…..
Une modification de la loi de Newton
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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
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Courbes de rotation multiples..
Sanders & Verheijen 1998, tous types, toutes masses
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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 lesbaryons
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L’amas du boulet Gaz X
Masse totalePreuve de l’existence de matière Non-baryonique?
Explicable avec MOND + neutrinos (% habituel, Angus et al 2006)
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Abell 520z=0.201
Mahdavi et al 2007
Rouge= gaz XContours= lensingCœurs de matièrenoire coincident avec XMais pas avec galaxies
Cas opposé!
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Amas en collision Abell 520
Contours=masse totale Contours = gaz X
Comment les galaxies sont-elles éjectées des pics CDM??
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CL 0024+17Jee et al 2007
Contours=lensing
Contours= gaz X
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Anneau de CDM, CL0024+17
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Accrétion de gaz froid par les galaxiesScénario 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 plusGrande dans les petits halos (MCDM < 3 1011 Mo)
Keres et al2005
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Gas froid des filamentsDensité du gaz froid
Température
Dekel & Birnboim (2006)
Arrêt de la formation d'étoiles? Origine de,la bimodalité?
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Feedback dû aux Starbursts ou AGN
Di Matteo et al 2005
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Amas de Persée
Salomé et al 2006
Fabian et al 2003
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ConclusionParamètres de l’Univers: m=0.27, dont15% baryons, 85% ??
Le modèle de matière noire CDM, avec = 0.73 est celui quicorrespond le mieux aux observations, surtout pour les grandes structures
Encore des problèmes non résolus:
CDM devrait dominer au centre des galaxies avec une cuspideProblème du moment angulaire des baryons, perdu au profit de la CDM, et formation des disquesPrédiction d’une multitude de petits halos, non observés
La physique des baryons pourrait résoudre une partie des problèmeset notamment l’accrétion de gaz froid
Ou bien modifications de la gravité