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L'univers des galaxies

Trois galaxies elliptiques, M87 alias Virgo A de l'amas de la Vierge avec en dessous à sa droite NGC 4478 qui présente une subtile structure interne et NGC 4476. Document Robert Gendler.

La formation des galaxies elliptiques (VII)

Les deux processus de stripping (balayage du gaz par les vents stellaire et intra-amas) n'affectent que le gaz des galaxies et ne perturbent pas les étoiles tandis que les interactions gravitationnelles violentes perturbent la masse d'une galaxie, et donc y compris ses étoiles et leur taux de formation, ce qui explique la transformation morphologique radicale que connaissent certaines galaxies en interactions à l'image de celles présentées ci-dessous à différents stades du processus de fusion.

Mais une analyse détaillée de différents types de galaxies d'amas montre que les spirales sont plus affectées par le processus de stripping que les elliptiques et qu'en passant près du centre des amas, les gaz et même les étoiles sont littéralement arrachés des galaxies comme nous venons de l'expliquer.

Du fait que l'univers observable contient une plus grande proportion de galaxies spirales que d'elliptiques (77% contre ~20% selon le SDSS), on pourrait penser que le processus de balayage du gaz interstellaire a moins d'effet que l'interaction gravitationnelle entre galaxies. Pour appuyer cette idée, on constate que de grandes galaxies contiennent plusieurs noyaux ou d'innombrables étoiles bleues dans leurs bras ou dans leur anneau extérieur, signes évidents qu'elles ont cannibalisé de plus petites galaxies (fusion mineure).

Bien que l'hypothèse du mergeur décrite page précédente explique assez bien les propriétés qualitatives des galaxies elliptiques, certains détails ne peuvent s'expliquer par cette seule théorie. Ainsi, la densité spatiale du bulbe des galaxies spirales est inférieure à celle des elliptiques. Sachant qu'une relaxe violente préserve la densité spatiale, les résidus des galaxies ayant fusionnées présentent une densité trop faible pour expliquer la densité des galaxies elliptiques. De plus, le nombre d'amas globulaires par unité de luminosité est supérieur pour les elliptiques que pour les spirales. Enfin, en raison des vitesses relatives élevées des galaxies au sein des amas, les mergeurs devraient être moins nombreux dans ces environnements alors que ce sont les régions où le pourcentage de galaxies elliptiques est le plus élevé.

A lire: Dynamique du gaz et formation stellaire

dans les galaxies elliptiques et les galaxies à haut redshift

par Lauriane Delaye, Obs.Paris, 2009

Comment dès lors expliquer qu'une fusion puisse aboutir à la formation d'une galaxie elliptique ? Des experts en simulations numériques se sont penchés sur ce problème. On constate que si effectivement la densité spatiale stellaire est préservée durant la fusion, cette contrainte ne s'applique pas au gaz interstellaire. En effet, le gaz peut dissiper l'énergie, créant des courants vers le coeur de la galaxie. Les étoiles qui seraient créées durant ce processus peuvent augmenter localement la densité stellaire et en théorie produire un noyaux elliptique. Les interactions induites par ces étoiles en formation peuvent également générer un nombre d'amas globulaires différent dans les spirales et les elliptiques.

Les observations faites grâce aux télescopes spatiaux indiquent que les galaxies en collisions peuvent générer un grand nombre d'amas stellaires, jeunes et compacts. Si ces amas peuvent survivrent à l'environnement chaotique des chocs de marées et à la perte de masse, ils pourraient devenir les germes des vieux amas globulaires qu'on observe dans le halo des galaxies elliptiques.

Au-dessus du centre, la radiogalaxie 4C 73.08 située dans le Dragon. Il s'agit d'une galaxie elliptique géante. Document NASA/ESA/STScI.

Finalement, le problème de la vitesse élevée des galaxies au sein des amas peut être résolu en tenant compte de l'évolution hiérachique des stuctures. Ainsi, les amas de galaxies sont les derniers objets à se former; d'abord les galaxies se forment et se rassemblent dans de petits groupes qui fusionnent ensemble pour former un plus grand amas de galaxie. Les mergeurs qui ont donné naissance aux elliptiques qu'on retrouve au coeur des amas de galaxies étaient probablement réunies bien plus tôt en petits groupes (avec de faibles vitesses de dipersions), avant que l'amas ne forme une seule structure relaxée, dite virialisée (cf. le théorème du viriel).

Bien entendu, dans l'Univers où toutes les structure se forment hiérarchiquement, tous les objets se forment par fusion ou coalescence de plus petites stuctures. Partant de ce point de vue, il peut être plus raisonnable de ne pas se demander si les mergeurs ont formé les elliptiques, ce qui paraît évident, mais plutôt quel type de mergeur forme les elliptiques ? En effet, cette nuance est basée sur les observations indiquant que les galaxies elliptiques des amas ont dû se former très tôt, peut-être même antérieurement à la formation des disques des galaxies massives. Si c'est le cas, les fusions de ces très anciennes galaxies étaient probablement très différentes de celle des galaxies qu'on observe aujourd'hui à courte distance, ce que nous validerons un peu plus loin.

C'est parce que le temps d'effondrement d'une galaxie est plus rapide dans les régions galactiques très denses que les elliptiques d'amas et du champ (les isolées) se forment sur des échelles de temps différentes et auraient, dans l'hypothèse des fusions par mergeur, des ancêtres différents.

Les elliptiques d'amas pourraient se former par l'assemblage rapide de nombreuses petites galaxies, tandis que les elliptiques du champ se formeraient selon un processus plus classique de fusion majeure ou mineure. Mais il s'agit toujours d'hypothèses de travail. La question de savoir si les galaxies elliptiques se sont ou non formées à partir de fusions majeures reste ouverte, et ce depuis bientôt un demi-siècle. 

C'est justement pour essayer de répondre à cette question que des chercheurs ont récemment proposé une nouvelle théorie.

La métamorphose des galaxies

A présent que nous avons décrit tous les aspects visibles des galaxies et expliqué les mécanismes de leurs interactions éventuelles, on peut essayer de répondre à une question difficile : pourquoi les galaxies ont-elles des formes aussi si différentes ? Est-ce un phénomène intrinsèque lié à leur évolution ou extrinsèque et le résultat d'une collision par exemple ?

Si un spécialiste dirait que les galaxies changent de forme en fusionnant avec de plus petites qui finissent par modifier leur taille et leur forme au fil du temps - ce que nous avons démontré tout au long de cet article -, cette théorie qui est encore largement acceptée par la communauté scientifique fait toutefois de moins en moins l'unanimité quand on observe l'évolution du noyau des galaxies.

Récemment deux théories ont éré proposées pour expliquer la métamorphose des galaxies.

La migration des étoiles

Schéma de l'évolution des galaxies. Tout d'abord la galaxie est dominée par la composant du disque (à gauche) qui prend de l'importance au fil du temps. Ensuite la formation active d'étoiles se produit dans l'immense réservoir de poussières et de gaz concentré au centre de la galaxie (centre). Finalement, la galaxie est dominée par le bulbe stellaire constitué d'étoiles âgées et devient une galaxie elliptique ou lenticulaire (à droite). Document NAOJ.

En 2015, une équipe de chercheurs dirigée par Steve Eales de l'Université de Cardiff publia dans les "MNRAS" les résultats de l'analyse de 10000 galaxies extraites des sondages photographiques Herschel-ATLAS et spectrométriques GAMMA. Il ont démontré que 83% de toutes les étoiles formées depuis le Big Bang étaient initialement localisées dans des galaxies en forme de disque (c'est-à-dire concrètement des spirales). Or, de nos jours seuls 49% des étoiles existantes évoluent dans des galaxies en forme de disque, toutes les autres étant dans des galaxies de forme ovale (c'est-à-dire concrètement des elliptiques).

Ce résultat suggère que les galaxies subissent une métamorphose massive en passant d'une forme spiralée à elliptique au cours du temps. Si comme nous l'avons expliqué une collision entre galaxies peut déclencher cette transformation, il est également possible qu'un processus plus doux comme la migration des étoiles du disque vers le centre engendre également cette transformation.

Selon Eales, "de nombreuses personnes prétendent que cette métamorphose s'est déjà produite, mais en combinant les données de Herschel et Hubble, pour la première fois nous avons été capables de mesurer l'étendue de cette transformation [...] Les galaxies sont les éléments de base de l'univers, donc cette métamorphose représente réellement l'un des changements les plus importants dans leur apparence et leurs propriétés au cours des 8 milliards d'années".

Mais si cette étude renforce la théorie de la métamorphose des galaxies, elle n'explique pas pourquoi ce phénomène se produit, une question à laquelle essaya de répondre peu après une autre équipe d'astronomes.

L'action explosive des nouvelles étoiles

Dans un article publié en 2017 dans les "Astrophysical Journal Letters", Ken-ichi Tadaki de la NAOJ en poste à l'Institut Max Planck et ses collègues ont décrit les résultats d'une étude du coeur de plusieurs galaxies massives visant à mieux comprendre comme elles se sont transformées.

Grâce aux photos en haute résolution prises par le Télescope Spatial Hubble combinées aux images reconstruites par le réseau submillimétrique ALMA, les chercheurs ont pu étudier les nuages froids de gaz et de poussière où se forment les étoiles dans 25 galaxies massives située à z=2.5 soit environ 11 milliards d'années-lumière du Soleil. A cette distance, elles nous apparaissent comme elles étaient à peine 3 milliards d'années après le Big Bang. Par un heureux hasard, cette époque coïncide avec la période du pic de formation des galaxies. Autrement dit, la majorité des galaxies que nous observons aujourd'hui se sont formées à cette époque.

Ainsi que nous l'avons expliqué, jusqu'à présent les astronomes pensaient que les galaxies elliptiques massives se sont formées suite à la collision de disques galactiques car toutes les simulations montrent que deux galaxies spirales par exemple entrant en collision finissent par former une seule galaxie géante mais de forme elliptique. Mais selon Tadaki, "il existe peut-être une trajectoire alternative" et la future collision programmée entre la Voie Lactée et M31 par exemple prévue d'ici quelques milliards d'années (cf. page 3) ne va peut être pas suivre le scénario prévu.

Les images de galaxies situées à environ 11 milliards d'années-lumière analysées par l'équipe de Ken-ici Tadaki. Documents ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) et NASA/ESA/STScI.

Les chercheurs ont découvert que ces galaxies ancestrales étaient dominées par la composante du disque alors que les spirales et les lenticulaires sont dominées par leur bulbe central, ce que l'équipe de Eales précitée avait déjà constaté. Les images d'ALMA ont montré qu'il y avait des réservoirs massifs de gaz et de poussière à proximité du coeur de ces galaxies, ce qui a coïncidé avec le taux très élevé de formation d'étoiles à cette époque reculée.

Mais pour exclure la possibilité que cette intense période de formation stellaire soit le résultat de fusions de galaxies, l'équipe a également utilisé les données du VLT de l'ESO pour confirmer qu'il n'y avait aucune trace de collision avec des galaxies massives à cette époque. Comme l'a expliqué Tadaki: : "nous avons obtenu une preuve ferme que des noyaux galactiques denses peuvent se former sans collisions galactiques. Ils peuvent également se former suite à une intense formation stellaire au cœur de la galaxie".

Un lien entre la forme des galaxies et l'âge de leurs étoiles

En 2018, Jesse van de Sande de l'Université de Sydney et ses collègues ont décrit dans une étude publiée dans la revue "Nature", les résultats d'un sondage portant sur 843 galaxies de différents types et de tous les âges visant à étudier la morphologie des galaxies et les propriétés de leurs étoiles. Utilisant le télescope australien AAT de 4 m et les résultats de plusieurs sondages spectroscopiques à champ intégral, ils ont découvert un lien entre la forme intrinsèque des galaxies et l'âge de leurs étoiles.

Corrélation entre la forme des galaxies, l'âge et les déplacements de leurs étoiles. Document J.van de Sande et al. (2018) adapté par l'auteur.

Van de Sande et ses collègues ont notamment découvert que dans les galaxies spirales géantes et à forte ellipticité, les étoiles se déplacent de manière très ordonnée alors que dans les types opposés et en particulier dans les galaxies faiblement elliptiques, les étoiles présentent des mouvements plus désordonnés et aléatoires.

Nous savons depuis le début du XXe siècle et les travaux précurseurs de Pickering, Hertzsprung et Russell, que la couleur des étoiles varie en fonction de leur âge et au milieu du XXe siècle on découvrit qu'il en est de même pour les galaxies : plus elles sont rouges plus elles sont âgées.

Comme on le voit à gauche, en reportant dans un graphique l'âge et les mouvements des étoiles ainsi que la forme des galaxies, les chercheurs ont découvert que le seul paramètre déterminant le déplacement plus ou moins ordonné ou aléatoire des étoiles permettait de déterminer la forme des galaxies et en corollaire qu'il existe un lien entre l'âge des étoiles et la morphologie des galaxies, cette tendance s'appliquant à toutes les galaxies, qu'elles soient naines ou très massives ou même dépourvue de bulbe.

Les chercheurs ont constaté que cette corrélation s'applique également à la Voie Lactée qui présente un disque mince enveloppé dans un disque épais. Les étoiles contenues dans le disque mince sont plutôt jeunes et leurs vitesses sont très peu dispersées; elles ont des mouvements très ordonnées et des orbites quasi-circulaires et en co-rotation autour du noyau. A l'inverse, les étoiles du disque épais sont plus âgées et ont pour la plupart migré du disque mince et accusent de ce fait une plus grande dispersion de vitesses. On observe donc que les étoiles âgées évoluent dans des environnements moins ordonnées et des structures plus épaisses que les jeunes étoiles.

Ces résultats pourraient conduire les astronomes à reviser leurs théories actuelles sur l'évolution galactique et la manière dont se forment le bulbe central et les bras spiralés. Cela pourrait également conduire à une refonte des modèles concernant l'évolution cosmique et, qui sait, les modèles de notre propre Galaxie. Cela pourrait même conduire les astronomes à revoir ce qu'il adviendra dans quelques milliards d'années, lorsque la Voie lactée entrera en collision avec M31.

Comme d'habitude, plus nous explorons l'Univers profond, plus il se révèle. Avec toutes ces révélations contredisant nos connaissances,,il faudra bien que les astronomes revoient leur copie et proposent de nouvelles théories.

Prochain chapitre

Modèle de la formation et de l'évolution galactique

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