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Des galaxies retraitées se comportant comme des galaxies actives

1er octobre 2008

Une équipe d’astronomes franco-brésilienne a montré qu’une importante fraction des galaxies considérées comme faiblement actives pourrait être en fait constituée de galaxies ionisées par une population stellaire vieillissante. Cette étude est basée sur une analyse des spectres de plus de cent mille galaxies à raies d’émission observées dans le Sloan Digital Sky Survey.

Deux formes d’activitÃ© pour les galaxies

On parle de Â« Â noyau actifÂ Â », lorsque le noyau d’une galaxie émet des raies spectrales très larges et de haute excitation, que l’on attribue à la présence d’un trou noir massif alimenté par un disque d’accrétion. Les fameuses galaxies de Seyfert sont les prototypes des galaxies à noyau actif — souvent appelées tout simplement "galaxies actives". Mais le terme d’activité s’emploie également pour qualifier des galaxies en phase de formation stellaire. Cette activité se manifeste aussi par des raies d’émission, cette fois-ci produites dans un gaz ionisé par les étoiles nouvellement formées.

: Figure 1 : Les galaxies du SDSS dans le diagramme de BPT :

Comment distinguer simplement ces deux formes d’activitÃ©Â ?

Les noyaux actifs émettent des photons plus énergétiques que les étoiles massives. Ils sont donc capables de chauffer plus vigoureusement le gaz. En 1981, Baldwin, Phillips et Terlevich ont proposé une série de diagrammes, basés sur des rapports de raies, séparant clairement les deux modes d’excitation. Le plus fameux d’entre eux, appelé communément le diagramme BPT, représente [OIII]5007/Hbeta en fonction de [NII]/Halpha. Dans les galaxies à noyau actif, les raies [OIII] et [NII], excitées par collisions thermiques, sont plus intenses par rapport aux raies de recombinaison de l’hydrogène que dans les galaxies à formation d’étoiles.

Les deux familles de galaxies Ã raies d’Ã©mission dans le Sloan Digital Sky Survey

Le Sloan Digital Sky Survey (SDSS), qui a effectué un relevé spectroscopique d’un quart du ciel et a obtenu les spectres d’environ 700 000 galaxies, a révolutionné notre vision de l’Univers local à bien des égards. En ce qui concerne les galaxies à raies d’émission, le diagramme BPT indique qu’environ 30% des galaxies se trouvent dans la zone des galaxies à noyau actif ! Un résultat qui contraste fortement avec l’idée qu’on se faisait de la population de galaxies à noyau actif, évaluée à 1-2% dans les relevés antérieurs.

De plus, dans le diagramme BPT appliqué au SDSS, les galaxies à raies d’émission se retrouvent réparties le long de deux séquences évoquant les ailes d’une mouette en plein vol (Fig. 1). L’une des séquences, l’aile gauche, était connue depuis longtemps comme étant la séquence des galaxies à formation d’étoiles. Mais l’autre, dite séquence des galaxies à noyau actif, était inattendue !

En y regardant de plus près, on peut deviner que l’aile droite se compose de deux branches, attribuées respectivement par Kewley et ses collaborateurs aux galaxies de Seyfert et aux LINERS — « Low Ionization Nuclear Emission Regions », un terme proposé en 1980 pour désigner les noyaux de galaxies qui semblaient présenter un faible signe d’activité non stellaire. Par extension, ce terme a été étendu aux galaxies ayant un spectre semblable aux LINERS. Les raies d’émission dans ces objets sont peu intenses, détectables uniquement après une modélisation détaillée du continu stellaire. De nombreuses hypothèses ont été émises sur l’origine de l’activité dans les LINERs.

Galaxies actives, passives et ....... retraitÃ©es

Toutes les galaxies ont, à un moment ou un autre de leur vie, formé des étoiles. Après avoir épuisé leur gaz —ou plus exactement les nuages moléculaires au sein desquels se forment les étoiles— elles suivent une évolution qu’on dit Â« Â passiveÂ Â » : les populations stellaires vieillissent. Pourtant, de telles galaxies peuvent encore présenter de faibles raies d’émission, qui plus est, avec des rapports de raies caractéristiques des LINERs. C’est ce qu’a montré récemment une équipe franco-brésilienne, qui a qualifié ces galaxies de Â« Â retraitÃ©esÂ Â ». Une bonne part des LINERs mis en évidence par le SDSS serait en fait des galaxies retraitées !

L’Ã©volution du champ de rayonnement ionisant d’une galaxie

Les étoiles les plus massives — celles qui ionisent le gaz des galaxies à formation d’étoiles— sont celles qui meurent le plus vite. Au bout de 100 millions d’années, le nombre de photons ionisants qu’elles émettent a décru de plus de 4 ordres de grandeur. Mais les étoiles qui sont nées avec une masse inférieure à 8-10 masses solaires commencent à peine leur évolution en dehors de la séquence principale. Au cours de cette étape, elles deviendront noyaux de nébuleuses planétaires puis naines blanches, atteignant des températures nettement supérieures à celles des étoiles massives. Leurs photons, moins nombreux mais plus énergétiques (cf. Fig. 2), sont donc capables de chauffer le gaz comme le feraient des photons émis par disques d’accrétion autour de trous noirs massifs. En effet, contrairement à ce que dicterait le sens commun, la température d’un gaz photoionisé ne dépend pas de la quantité de photons ionisants, mais seulement de leur énergie.

: Figure 2 : A gauche : évolution temporelle du nombre de photons QHI capables d’ioniser l’hydrogène, pour un ensemble d’étoiles nées au même moment. A droite : évolution du rapport QHeI/ QHI, qui illustre la température caractéristique du rayonnement ionisant. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Reste à montrer que les galaxies de la branche des LINERs peuvent réellement être des galaxies retraitées. Le continu optique de chaque galaxie du SDSS à été analysé en termes de populations stellaires à l’aide du code STARLIGHT (http://www.starlight.ufsc.br). Ceci a permis d’estimer le continu émis dans l’ultraviolet lointain par ces populations stellaires et de l’utiliser dans des modèles de photoionisation pour calculer les intensités des raies émises par le gas résiduel de la galaxie (en particulier le gas provenant des vents stellaires).

On trouve que les populations stellaires vieillissantes rendent compte des luminosités observées en Halpha pour une fraction significative des LINERS (30% et peut-être beaucoup plus). Quant aux rapports d’intensités des raies, ils couvrent l’ensemble du domaine des LINERs dans le diagramme BPT et même au-delà.

Pourquoi les galaxies du SDSS dessinent-elles une mouette dans le diagramme BPTÂ ?

Il ne faut pas oublier que le diagramme BPT est également le résultat d’un effet de sélection. Le SDSS est borné en magnitude. Par conséquent, les galaxies les moins massives —et les moins métalliques— n’apparaissent dans le diagramme que lors de leur phase la plus lumineuse, c’est à dire celle de formation stellaire. Pour figurer dans le diagramme BPT, les galaxies doivent également être visibles dans les 4 raies [OIII], Hbeta, [NII] et Halpha. Tout le dessous de l’aile droite est absent car les raies sont trop faibles pour être détectées, même dans des galaxies lumineuses.

Toutes les galaxies ne sont pas Ã©gales face Ã la retraite

Plus les galaxies sont grosses, plus vite elles consument leur gaz par formation stellaire et plus elles deviennent des retraitées riches en métaux. C’est l’une des raisons pour lesquelles la séquence des galaxies à formation d’étoile ne contient pas d’objets de métallicité supérieure à 2 ou 3 fois la métallicité solaire, alors que la branche des LINERs peut en contenir.

RÃ©fÃ©rences Can retired galaxies mimic active galaxies ? Clues from the Sloan Digital Sky Survey Stasinska, G. (LUTH) ; Asari, N. V. (LUTH-UFSC) ; Cid Fernandes, R. (UFSC) ; Gomes, J. M. (GEPI-UFSC) ; Schlickmann, M. (UFSC) ; Mateus, A. (LAM) ; Schoenell, W. (UFSC) ; Sodré, L., Jr.(IAG), (the SEAGal collaboration), 2008, MNRAS, in press Semi-empirical analysis of Sloan Digital Sky Survey galaxies - III. How to distinguish AGN hosts Stasinska, G. ; Cid Fernandes, R. ; Mateus, A. ; Sodré, L. ; Asari, Natalia V., 2006, MNRAS, 371, 972

Contact

Grazyna Stasinska(Observatoire de Paris, LUTH et CNRS

Dernière modification le 22 février 2013

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Accueil > Retired galaxies behaving like active galaxies

Retired galaxies behaving like active galaxies

1er octobre 2008

A French-Brazilian team showed that a large fraction of galaxies thought to be weakly active could in fact be ionized by an elderly stellar population. This study is based on the analysis of over one hundred thousand of spectra of emission-line galaxies observed by the Sloan Digital Sky Survey.

Two types of galaxy activity

A galaxy is said to have an "active nucleus" when its nucleus emits broad high-excitation lines, which are attributed to the presence of an accretion disk fueling a massive black hole in the centre of the galaxy. The famous Seyfert galaxies are the prototypes of galaxies with active nuclei — often refered to simply as "active galaxies". However, the word "activity" can also describe galaxies that are forming stars. This activity is revealed through emission lines as well, but this time they are produced by gas that is ionized by newborn stars.

: Figure 1 : Les galaxies du SDSS dans le diagramme de BPT :

How can we tell apart these two types of activity ?

Active nuclei produce higher-energy photons than massive stars. Those photons are therefore able to heat the gas more efficiently. In 1981, Baldwin, Phillips and Terlevich proposed a variety of diagrams based on emission line ratios which could clearly separate those two types of excitation. The most famous among them, usually called the BPT diagram, shows [OIII/Hbeta as a function of [NII]/Halpha. In galaxies hosting active nuclei, the [OIII] and [NII] lines, being excited by thermal collisions, are stronger with respect to hydrogen recombination lines than in star-forming galaxies.

The two groups of emission-line galaxies in the Sloan Digital Sky Survey

The Sloan Digital Sky Survey (SDSS), which has observed a quarter of the sky and has collected more than 700 000 galaxy spectra, has revolutionized our knowledge about the local Universe in many ways. Concerning the emission lines, the BPT diagram revealed that about 30% of galaxies lie in the zone of active nuclei ! This result strongly contradicts the idea that we had about the population of galaxies hosting an active nucleus, which previous studies estimated to be 1-2%.

Moreover, in the BPT diagram applied to SDSS data, emission-line galaxies are distributed along two sequences evoking the wings of a flying seagull (Fig. 1). One of them, the left wing, has long been known as the sequence of star-forming galaxies. But the other one, attributed to galaxies hosting active nuclei, was unexpected !

Taking a better look at it, it was found that the right wing is composed of two branches, respectively identified by Kewley and collaborators to Seyfert galaxies and LINERs — "Low Ionization Nuclear Emission Regions", a term proposed in 1980 to designate galactic nuclei that seemed to have a faint evidence of non-stellar activity. This term was then applied to galaxies whose spectra looked like LINERs. The emission lines in these objects are not very strong, and they can only be detected after a detailed modelling of the stellar continuum. Many hypotheses were made about the origin of activity in LINERs.

Active, passive and ..... retired galaxies

All galaxies, at one time or another in theirs lives, have formed stars. After consuming their gas — or, more accurately, the molecular clouds where stars are formed — they follow a "passive" evolution : Their stellar populations simply get older and older. However, such galaxies can still exhibit faint emission lines, and, what is more, these lines have ratios similar to those of LINERs. This is what a French-Brazilian team has recently shown, dubbing these galaxies as "retired". A large proportion of the LINERs revealed by the SDSS could indeed be retired galaxies !

The evolution of the ionizing radiation field of a galaxy

The most massive stars —those that ionize the gas in star-forming galaxies— are those who die first. After 100 million years, the number of ionizing photons emitted by those stars decreases by more than 4 orders of magnitude. But the stars of mass lower than 8-10 solar masses have just started evolving beyond the main sequence. During this phase, they will become nuclei of planetary nebulae, and then white dwarfs, reaching much higher temperatures than massive stars. The photons which they emit, not so numerous but more energetic (see Fig. 2), are thus able to heat the gas to the same extent as photons emitted by accretion disks around massive black holes. In fact, contrary to common sense, the temperature of an ionized gas does not depend on the quantity of ionizing photons, but only on their energy.

: Figure 2 : A gauche : évolution temporelle du nombre de photons QHI capables d’ioniser l’hydrogène, pour un ensemble d’étoiles nées au même moment. A droite : évolution du rapport QHeI/ QHI, qui illustre la température caractéristique du rayonnement ionisant. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

It remains to show that galaxies in the LINERs branch could truely be retired galaxies. The optical continuum of each SDSS galaxy was analysed and decomposed into stellar populations by the STARLIGHT code (http://www.starlight.ufsc.br). This allowed to estimate the far UV radiation emitted by those stellar populations and plug it into a code computing photoionization models to calculate the intensity of lines arising from the residual gas of the galaxy (especially the gas from stellar winds).

It results that the old stellar populations can explain the observed Halpha luminosities for a significant fraction of LINERs (30% and may be more). Regarding the ratios of emission lines, they cover the entire LINER domain in the BPT diagram, and even beyond.

Why do the SDSS galaxies draw a seagull in the BPT diagram ?

One should not forget that the BPT diagram is also the result of an observational bias. The SDSS is magnitude-limited. Consequently, the least massive —and least metal-rich— galaxies are not seen in the diagram except during their most luminous phase, that is, during their star-forming phase. In order to appear in the BPT diagram, the galaxies must also be visible in 4 emission lines : [OIII], Hbeta, [NII] and Halpha. The bottom part of the right wing is absent because the lines are too faint to be detected, even in luminous galaxies.

Not all galaxies are equal with respect to retirement

The most massive galaxies eat up their gas faster to form stars and become more metal-rich when they retire. This is one of the reasons why the sequence of star-forming galaxies does not contain objects with metallicities greater than 2 or 3 times solar, whereas such metal-rich galaxies can be found in the LINER branch.

References Can retired galaxies mimic active galaxies ? Clues from the Sloan Digital Sky Survey Stasinska, G. (LUTH) ; Asari, N. V. (LUTH-UFSC) ; Cid Fernandes, R. (UFSC) ; Gomes, J. M. (GEPI-UFSC) ; Schlickmann, M. (UFSC) ; Mateus, A. (LAM) ; Schoenell, W. (UFSC) ; Sodré, L., Jr.(IAG), (the SEAGal collaboration), 2008, MNRAS, in press Semi-empirical analysis of Sloan Digital Sky Survey galaxies - III. How to distinguish AGN hosts Stasinska, G. ; Cid Fernandes, R. ; Mateus, A. ; Sodré, L. ; Asari, Natalia V., 2006, MNRAS, 371, 972

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Grazyna Stasinska(Observatoire de Paris, LUTH et CNRS

Dernière modification le 4 mars 2013