Global energetics: fossil memory (metals) vs ... - David Elbaz

Global energetics: fossil memory (metals) vs background light
2 main sources of light after Big Bang-CMB: nucleosynthesis (stars) & accretion (black
holes)
Their global energetic budget is well constrained by the Cosmic Backgrounds
• in the UV to IR for star formation
• in the X-ray & IR domains for AGNs
~23 nWm -2 sr -1
Dole et al (2006)
~24 nWm -2 sr -1
David Elbaz 1

Budget énergétique
L'énergie de liaison par nucléon de
l'hélium est de 7MeV/nucléon. Celle du
fer-56, le noyau d'atome le plus « soudé »
n'est pas beaucoup plus élevée, avec 8.8
MeV/nucléon.
Une étoile passe la plus grosse fraction de
son temps à convertir de l'H en He. Cette
réaction est la principale source de
lumière stellaire dans l'univers.
Nucléosynthèse: p -> He -> C, N, O,…
m p = 0.93828 GeV
m n = 0.93857 GeV
Energie de liaison H -> He: 7 MeV
Lorsqu’un p -> He
il produit 7MeV par unité de 0.93828 GeV
Donc :
0.74 % de la masse est convertie en lumière
He -> C, N, O: only gains 0.5 MeV
Globalement le budget de la nucléosynthèse est :
Energie rayonnée = 0.007 x masse de « métaux » x c 2 [ Joules ]
par unité de temps, quand dM « métaux » sont produits en dt :
Luminosité rayonnée = d [ 0.007 M Z c 2 ] / dt
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En réalité les « métaux » sont ici constitués de l’He non primordial et des métaux classsiques
(C,N,O,Fe principalement).
La masse du proton et du neutron est de ~0.94 GeV, donc l'énergie de liaison rayonnée au cours de
la fusion d'un proton pour donner de l’He est de 7MeV/0.94GeV=0.74% de sa masse
(m p = 0.93828 GeV, m n = 0.93857 GeV), i.e. E = dM c 2 .
La plupart de l’hélium est d’origine primordiale mais une partie a été générée par la nucléosynthèse
stellare. La valeur primordiale est de Y p =M He /M totale =0.24, mais on observe dans le Soleil Y =0.28,
donc ΔY=0.04 ont été générés par les étoiles.
Dans le voisinage solaire, la métallicité est de Z=M métaux /M totale =0.02 avec :
~60% d’oxygène (8 meV), ~7% de fer (8.6 MeV) et le reste de C,N principalement (7.5 MeV),
ce qui fait un taux équivalent de ~ 7.9 MeV , i.e. 0.84 % (/0.94GeV).
Globalement, sur 1 kg de masse stellaire dans l’univers local, il y a donc 4% d’He non primordial et
2% de métaux, qui ont donné lieu à de la lumière. La quantité totale de lumière ainsi produite est:
He: 4% de 1 kg sont convertis en lumière avec une efficacité de 0.74%= 30 gr x c 2 .
Métaux: 2% de 1 kg sont convertis en lumière avec une efficacité de 0.84%= 17 gr x c 2 .
Globalement, 0.0074*0.04+0.0084*0.02= 0.0464% de la masse est convertie en lumière
1 Joule = 1 kg m 2 s -2 , donc on a 47 x 10 -3 x (3x10 8 ) 2 = 4.2x10 13 Joules/kg d’étoiles
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Validation du raisonnement à l'échelle de la Voie Lactée
Globalement: 0.0464% de la masse est convertie en lumière (E=mc 2 )
Dans le cas de la Voie Lactée: M * =7.8x10 10 M 6.5x10 54 Joules (M =2x10 30 kg)
Si on suppose que cette énergie a été produite en continu sur les 12 Gyr d’âge de la V.L.:
L = 6.5x10 54 Joules / 31 556 926 sec= 1.72x10 37 W= 4.55x10 10 L (L = 3.826x10 26 W)
Or L bande I (V.L.)=(3.8±0.6)x10 10 L !!! (Flynn et al. 2006, MNRAS 372, 1149)
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Le fond diffus cosmologique
A l’échelle de l’univers:
1. Mesurer la quantité d’He et de métaux par unité de volume (Mpc 3 ) de l’univers local:
ρ métaux ~ 2.5 x 10 -30 kg m -3 et ΔY=0.04=2Z =>ρ He ~ 5 x 10 -30 kg m -3
ETOILES
Les baryons sous la forme d'étoiles (+ restes stellaires) constituent une proportion d'étoiles (+ restes stellaires) de:
Ωbulbes = ρbulbes /ρc ~ 0.002600 h-1 (Fukugita, Hogan, Peebles 1998)
Ωdisques = ρdisques /ρc ~ 0.000860 h-1 Ωirrégulières = ρirrégulières /ρc ~ 0.000069 h-1 où: Ω=ρ/ρc avec ρc = 9.47 x 10-27 kg m-3 = 3H 2
0 /(8πG)
(H0 =71 km s-1Mpc-1 ; G=6.67x10-11 m3 kg-1 s-2 ; h=H0 /100=0.71)
ρ bulbes ~ 3.5 x 10 -29 kg m -3 , avec Z bulbe ~2 x Z = 0.04 => ρ bulbes métaux ~ 14.0 x 10 -31 kg m -3
ρ disques ~ 1.1 x 10 -29 kg m -3 , avec Z disques ~1 x Z = 0.02 => ρ disque métaux ~ 2.3 x 10 -31 kg m -3
ρ irrégulières ~ 0.09 x 10 -29 kg m -3 , avec Z irrégulières ~ 0.02 => ρ irrégul métaux ~ 0.2 x 10 -31 kg m -3
=> ρ * galaxies métaux ~ 1.8 x 10 -30 kg m -3
MILIEU INTERGALACTIQUE
Milieu intergalactique dans les amas de galaxies= milieu intra-amas: Ω ICM = ρ ICM /ρ c ~ 0.0026 h -1
Où Z ICM =0.3 x Z = 0.006 => ρ ICM métaux ~ 2.1 x 10 -31 kg m -3
Milieu intergalactique dans les groupes de galaxies= milieu intra-groupes: Ω groupes = ρ groupes /ρ c ~ 0.0056 h -1
Où Z ICM =0.3 x Z = 0.006 => ρ groupes métaux ~ 4.5 x 10 -31 kg m -3
=> ρ intergalactique métaux ~ 0.7 x 10 -30 kg m -3
=> ρ m (métaux) ~ 2.5 x 10 -30 kg m -3
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The local cosmic metal density
• From previous considerations, we get:
ρ Z = 25 x 10 -31 kg m -3
• Calura & Matteucci (2004, MNRAS 350, 351) :
ρ Z
= 9.37 x 10 6 M Mpc -3
= 9.37 x 10 6 x 1.989 x 10 30 / (3.0856 x 10 22 ) 3 kg m -3
• Mushotzky & Lowenstein (1997) :
ρZ = 6.34 x 10 -31 kg m -3
ρ Z = 1.4 x 10 7 M Mpc -3 = 9.5 x 10 -31 kg m -3
• Zepf & Silk (1996) :
ρ Z = 4 x 10 7 M Mpc -3 = 27 x 10 -31 kg m -3
• Madau et al. (1996) :
ρ Z = 5.4 x 10 6 M Mpc -3 = 3.7 x 10 -31 kg m -3
• So globally, we get :
ρ Z = [4 - 27] x 10 -31 kg m -3 = [ 1.5±1.1 ] x 10 -30 kg m -3
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Le fond diffus cosmologique
1. Mesurer la quantité d’He et de métaux par unité de volume (Mpc 3 ) de l’univers local:
ρ métaux ~ 2.5 x 10 -30 kg m -3 (cf diapo suivante) et ΔY=0.04=2Z =>ρ He ~ 5 x 10 -30 kg m -3
2. En déduire la quantité totale de lumière produite par unité de volume :
ρ L = ρ lum x c 2 [ J m -3 ] où ρ lum =[0.0074 x ρ He + 0.0084 x ρ métaux ]
3. Sur Terre, on mesure un fond diffus par u. de surface et par stéradian: en W m -2 sr -1 .
C e f o n d n o u s a r r i v e s u r l a t o t a l i t é d u c i e l = 4 π
stéradians : ε L =ρ lum x c 2 / 4π [ J m -3 sr -1 ]
4. La lumière nous arrive à la vitesse « c », donc sur une surface collectrice de 1 m 2 on
r e ç o i t l a l u m i è r e c o n t e n u e d a n s « c » m 3 p a r s e c o n d e :
I= ρ lum x c 3 / 4π [ W m -2 sr -1 ]
5. Mais on mesure hν observé , ce qui est émis est hν emitted : hν obs = hν em /
(1+z em ) I= ρ lum x c 3 / (4π x (1+z) ) [ W m -2 sr -1 ] du fait de l’expansion
I= [0.0074x5x10 -30 +0.0084x 2.5x10 -30 ]x(3x10 8 ) 3 /(4πx(1+z))= 125/(1+z) [nW m -2 sr -1 ]
Si on suppose que le redshift moyen d’émission est de z~1 -> I ~ 62 [nW m -2 sr -1 ]
Pour la valeur moyenne de ρ métaux ~ (4 - 27) x 10 -31 kg m -3 : I ~ 40 ± 30 [nW m -2 sr -1 ]
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Comparaison au fond diffus mesuré…
On a vu que : I= ρ lum x c 3 / (4π x (1+z) ) [ W m -2 sr -1 ]
125/(1+z) [ nW m -2 sr -1 ]
où z est le redshift typique auquel les éléments
ont été formés.
Si on suppose que le zmoyen d’émission z~1 :
I ~ 62 [ nW m -2 sr -1 ]
EN prenant en compte, l’incertitude sur la densité
de métaux I ~ 40 ± 30 [ nW m -2 sr -1 ]
~23 nWm -2 sr -1
Dole et al (2006)
~24 nWm -2 sr -1
Le fond diffus cosmologique nous donne une idée du budget total de l'énergie rayonnée au cours
de l'univers.
On constate que celui-ci est du même ordre de grandeur que l'énergie qui a été rayonnée par les
étoiles dans l'univers pour produire la quantité de métaux observés.
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La masse des Trous Noirs Supermassifs au centre des galaxies est
fortement liée aux propriétés de la galaxie-hôte
M BH ~2x10 -3 x M * bulbe
M BH = 1.5x10 8 σ 200 4 M
où σ 200 =σ/200 km s -1
Marconi & Hunt Tremaine et al.
Gebhardt et al. (2000), Ferrarese & Merritt (2000) c.f. Magorrian (1998)
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Global energetics: fossil memory (metals) vs background light
Contribution of "Black Holes" to the cosmic background light:
M BH ~ 2x10 -3 x M * (bulges) & ρ bulges ~ 3.5 x 10 -29 kg m -3
=> ρ BH ~ 4.6 [-1.4,+1.9] x 10 -32 kg m -3 (Marconi & Hunt 08)
Gravitational accretion (SMBH growth) converts mass into light with an efficiency of
η~5-10 % & IGL SMBH = η x ρ BH c 3 / (4π x (1+z)) = 9±5 /(1+z) nW m -2 sr -1
For z~1, we get : IGL SMBH ~ 5±3 nW m -2 sr -1
To be compared to: IGL nucleosynthesis ~ 40±30 nW m -2 sr -1
Per unit mass accretion is 10 times more efficient than nucleosynthesis (~7% vs 0.7%)
But on average nucleosynthesis produces 10 times more energy than accretion.
~23 nWm -2 sr -1
Galaxies J1 - David Elbaz Fond diffus extragalactique Page 10
Dole et al (2006)
~24 nWm -2 sr -1
0.1 nW m -2 sr -1

Le Borgne et al. (2009)
Cosmic history of star formation vs accretion
Wang et al. 08
Galaxies J1 - David Elbaz Fond diffus extragalactique Page 11

~23 nWm -2 sr -1
Dole et al al (2006)
~24 nWm -2 sr -1
Elbaz et al (2002)
Galaxies J1 - David Elbaz Fond diffus extragalactique Page 12

Stacked MIPS 70 µm (25mJy-3σ) images on 24µm (80µJy-3σ) priors
confirms that > 2/3 of CIRB (peak) is resolved in galaxies Dole et al. (2006)
IGL(70µm)= 5.4 nW m -2 sr -1
~ 83% EBL(70µm) [6.4 nW m -2 sr -1 ]
IGL(160µm)= 10.2 nW m -2 sr -1
~ 66% EBL(160µm) [15.4 nW m -2 sr -1 ]
Larger λ dominated by larger redshifts !
Galaxies J1 - David Elbaz Fond diffus extragalactique Page 13

IRAS : 57 cm
The far infrared Universe: from Spitzer to Herschel
ISO : 60 cm
Spitzer : 85 cm
Discovery of luminous IR galaxies, >90% of light in IR
Dominate the bright-end of the luminosity function
Mostly major mergers…
Space density of LIRGs x70 at z~1
They dominate the SFR density at z>0.7
Extrapolation to far IR bulk of the IR background / LIRGs
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Sensitivity limits of IR surveys at the Spitzer era
Galaxies J1 - David Elbaz Fond diffus extragalactique Page 15
2 mJy

2.6’
3.6µm
25 hrs
0.8"
24µm
10.9 hrs
5.6"
70µm
2.9 hrs
16"
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Galaxies J1 - David Elbaz Fond diffus extragalactique Page 18

IRAS : 57 cm
The far infrared Universe: from Spitzer to Herschel
ISO : 60 cm
Spitzer : 85 cm
Discovery of luminous IR galaxies, >90% of light in IR
Dominate the bright-end of the luminosity function
Mostly major mergers…
NEW ISSUES HAVE APPEARED on galaxy formation/evolution:
• violent vs quiescent star formation (SFR-M*,…): duty cycle ?
• origin of the « IR downsizing » : internal/external ?
• does the environment trigger or quench SF ? Or none ?
• are the CIRB/metals-SFR-M*densities consistent ?
Space density of LIRGs x70 at z~1
They dominate the SFR density at z>0.7
Extrapolation to far IR bulk of the IR background / LIRGs
• Stacking in far IR resolve peak IR bkg
• Increasing density LIRGs/ULIRGs up to z~2
• Large Sp fraction
• Trace large-scale structures in formation
• identify missing Compton Thick AGN
Herschel: 350 cm
David Elbaz 19

Near future: Herschel (followed by ALMA, JWST)
Will probe the peak of the FIR emission
--> Complete census on cosmic SFR history up to z~3
Will not suffer from AGN contamination to derive SFR
Access to the more distant universe
MIR-FIR photometric redshifts to probe distant obscurded galaxies
--> Are there lots of dust obscured star forming galaxies at high z ? ( Bouwens et al)
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HERSCHEL
Wilson, Elbaz 07 ESO-report
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Hasinger ‘00
300µm 3µm 300nm 0.4keV 40keV 4MeV 400MeV
15µm (Elbaz et al. 02)
CGRB
Blazars
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Hasinger ‘00
300µm 3µm 300nm 0.4keV 40keV 4MeV 400MeV
obscured AGNs
Compton thin
unobscured AGNs
Compton Thick AGNs
Gilli et al.
CGRB
Blazars
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Spitzer-24µm
"GOODS"
Daddi et al. 2007
The role of Active Galactic Nuclei
normal galaxies 24µm-excess sources
Chandra "stacking"
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