Que sont ces mystérieuses Galaxies à Faible Brillance de Surface ?
1er mai 2003
En raison de leur faible brillance de surface, toute une population de galaxies (bien nommées en anglais "Low Surface Brightness" ou LSB) est passée pratiquement inaperçue lors des premiers travaux extragalactiques. Au cours des dernières décennies, ces galaxies ont cependant reçu de plus en plus d’attention alors que plus d’observations les concernant étaient effectuées et qu’il était réalisé qu’elles pourraient jouer un rôle important dans les processus de formation et évolution des galaxies et dans l’évolution chimique de l’univers. Une équipe d’astronomes, animée par des chercheurs de l’Observatoire de Paris, vient d’étudier un ensemble conséquent d’objets LSB, sélectionnés à partir de la cartographie infra-rouge de tout le ciel, achevée récemment (2-MASS). Ils ont construit des modèles d’évolution de disques de galaxies, et montré que les particularités des LSB pouvaient le mieux s’expliquer par des halos de matière noire d’un moment angulaire spécifique plus grand que pour les galaxies spirales classiques. Les LSB "rouges" (relativement rares) doivent leur couleur à une histoire de formation d’étoiles intermittente.
Au cours des dernières décennies, on a découvert l’existence de galaxies avec des brillances de surface centrales bien plus faibles que la valeur classique dite "de Freeman", 21.65 mag / arcsec2 en lumière bleue (bande photométrique B), typique des galaxies spirales usuelles (cf Hubble Atlas). Au cours des dernières années, une quantité conséquente d’observations a été assemblée au sujet de ces "Galaxies à Faible Brillance de Surface" (LSB), alors qu’il a été réalisé du coté théorique qu’elles pourraient être cruciales pour la formation et l’évolution des galacties, pour l’évolution chimique "cosmique", et pour l’univers à grand redshift (notamment en raison de leur nombre relativement important). Les LSB identifiées jusqu’à aujourd’hui présentent une grande diversité, allant des naines-elliptiques à des spirales géantes. Bien que les galaxies LSB à disque soient très variées en taille, brillance de surface et magnitude absolue (figure 2), elles sont en pratique souvent sélectionnées selon un critère simple : une brillance de surface centrale dans le bleu plus faible que 22 mag /arcsec2. Nos modèles des propriétés et d´évolution des LSB ont été comparés à 5 échantillons de LSB couvrant cette diversité de propriétés concernant la brillance de surface centrale, la luminosité, la couleur ou le le rapport bulbe sur disque. Les images du "Digital Sky Survey" de six de ces objets (figure 1) illustrent la difficulté de les détecter en imagerie. Une des galaxies est une galaxie géante, une autre possède un bulbe proéminent et un disque de faible brillance de surface. Il est bon de garder en tête qu’il pourrait toujours exister des LSB non cataloguées, avec des propriétés extrêmes, au delà des limites actuelles de détection.
DSSlsbs.jpg Figure 1. Images bleues du "Digital Sky Survey" de 6 des galaxies LSB utilisées dans la comparaison avec les modèles d’évolution. La taille de chaque image est 5 x 5 minutes d’arc. Cliquer sur la figure pour l’agrandir
Figure 1. Images bleues du "Digital Sky Survey" de 6 des galaxies LSB utilisées dans la comparaison avec les modèles d’évolution. La taille de chaque image est 5 x 5 minutes d’arc. Cliquer sur la figure pour l’agrandir scalesprop.jpg Figure 2. Quelques propriétés des Galaxies à Faible Brillance de Surface (échelle de longueur et brillance centrale en fonction de la magnitude, dans la bande B). Les différents symboles indiquent différents échantillons de LSB, avec des propriétés différentes (naines, géantes, ...). Les symboles verts représentent les galaxies du présent échantillon LSB sélectionné dans l’infrarouge avec 2MASS. La courbe marquée par des étoiles indique la position dans ces diagrammes de modèles calculés pour des spirales usuelles. Les autres courbes sont des modèles de LSB avec des moments angulaires plus grands. Cliquer sur la figure pour l’agrandir Les prédictions de tels modèles sont en accord avec ce qui est observé dans une compilation de données concernant de nombreuses propriétés : échelle de longueur du disque, brillance de surface centrale, magnitude (figure 2), la relation entre la masse et la luminosité, le contenu gazeux, et les mesures de l’abondance d’oxygène dans les régions ionisées HII (figure 3). oxygen.jpg Figure 3. Abondance d’oxygène dans les régions HII de galaxies LSB (points). Les spirales classiques (HSB) présentent une claire relation entre magnitude et abondance (non montrée). Elle est moins claire dans les LSB car les observations ont été effectuées dans des régions HII à différents rayons galacto-centriques. Le grisé et les contours montrent les abondances attendues dans les modèles de LSB avec des moments angulaire élevés. Cliquer sur la figure pour l’agrandir Certaines LSB ont cependant des couleurs extrêmement rouges, contrairement à ce qui est prédit par les simples modèles à moment angulaire élevé, dans lesquels le taux de formation stellaire évolue sans à-coups au cours du temps. Une possibilité pour expliquer cette différence est de faire appel à des petits sursauts ou des troncations dans la formation stellaire qui affectent principalement les couleurs des galaxies (ce qui est illustré sur la figure 4). De tels événements sont plus attendus dans les LSB que dans les spirales HSB en raison des faibles densités qui les caractérisent. En effet, la densité de gaz dans les LSB est plus faible que le seuil pour la formation stellaire observé dans les spirales proches. Dans ces conditions, la formation stellaire dans les LSB ne se produirait pas de manière régulière, mais serait sujette aux perturbations locales et aux ondes de densité affectant le disque. colors.jpg Figure 4. Indice de couleur (B-I) en fonction de la magnitude absolue pour les LSB (points) et modèles (courbes cyan). Les modèles, avec une histoire de formation stellaire sans heurts, se trouvent sur le bord "bleu" des observations. Une manière d’expliquer cette différence est d’ajouter dans les modèles simples des petits sursauts (courbe noire) et des troncatures dans l’histoire de la formation stellaire (flèche). Cliquer sur la figure pour l’agrandir Comme mentionné plus haut, il existe une grande variété parmi les disques de LSB connus, sélectionnés dans le domaine optique. En utilisant la cartographie du ciel dans l’infra-rouge récemment achevée par l’équipe 2-MASS, le premier grand échantillon homogène de LSB a pu être construit, dans ce domaine de longueur d’onde. Différentes objets de cet échantillon ont été observés dans la raie 21 cm à Nançay et Arecibo, ainsi qu’en imagerie à plusieurs longueurs d’onde dans le domaine optique. Une première analyse de ces données (cf thèse de Delphine Monnier Ragaigne), montre la rareté des LSB rouges, la présence d’objets avec des masses HI extrêmement grandes (plus que 1010 masses solaires), et une relation Tully-Fisher entre la magnitude absolue et la vitesse de rotation similaire à celle des spirales (HSB) classiques. Cet échantillon est aussi le premier à couvrir la zone de transition entre les LSB et les HSB, selon leur définition en lumière bleue. ----
Références : "Chemical and spectrophometric evolution of Low Surface Brightness galaxies" Boissier, Monnier Ragaigne, Prantzos, van Driel, Balkowski, O’Neil, 2003, accepté pour publication dans MNRAS. (preprint:astro-ph/0304313) "A search for Low Surface Brightness galaxies in the near-infrared I. Description of the sample" Monnier Ragaigne, van Driel, Schneider, Jarrett, Balkowski, 2003, accepté pour publication dans A&A (preprint : astro-ph/0304380)
Contact :
Wim van Driel (Observatoire de Paris, GEPI) Chantal Balkowski (Observatoire de Paris, GEPI) Delphine Monnier Ragaigne (Observatoire de Paris, GEPI) Samuel Boissier (Carnegie Observatories, Pasadena)
Dernière modification le 22 février 2013