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Courants froids et filaments de matière noire à l'origine des galaxies ?

ActualitéClassé sous :Astronomie , Stream-Fed Galaxies , Avishai Dekel

Un groupe international d'astrophysiciens propose dans un article de Nature une nouvelle théorie expliquant la formation précoce des galaxies. Basée sur des simulations numériques puissantes, elle fait jouer un rôle moins important aux fusions entre galaxies et met l'accent sur des courants froids d'hydrogène le long des filaments de matière noire.

Une image de la simulation sur MareNostrum montrant les courants d'hydrogène et d'hélium alimentant la formation des étoiles dans les jeunes galaxies. Dans les simulations, on en trouve en moyenne trois par galaxie. C'est ce que l'on voit ici. Crédit : The Hebrew University of Jerusalem

La formation et l'évolution des galaxies et des amas de galaxies est l'un des sujets les plus fascinants de l'astrophysique, en particulier à cause de ses connexions avec la cosmologie et la physique des hautes énergies. Même pour un physicien se limitant à la physique classique, c'est un joli champ d'application de la mécanique céleste, avec le fameux problème à N corps, ou de l'hydrodynamique. Pour le cosmologiste et le physicien des particules élémentaires, le monde des galaxies et des amas de galaxies peut être relié aux effets de la relativité générale et à celui des particules supersymétriques et autres candidats potentiels concernant la nature de la matière noire.

La théorie standard de la formation des galaxies énonce que le gaz de baryons, c'est-à-dire principalement d'hydrogène et d'hélium, s'est effondré au cours des premières centaines de millions d'années sous l'influence de zones de surdensité de matière noire formant des halos sphériques, où sont nées des étoiles rassemblées en petites galaxies naines. Au cours du temps, ces galaxies sont entrées en collision pour former par fusion des galaxies géantes comme notre Voie lactée et se sont rassemblées en amas de galaxies eux-mêmes organisés en filaments autour des concentrations de matière noire de même forme.

Très actives au début de l'histoire de l'Univers, ces collisions se poursuivent encore de nos jours bien qu'elles soient moins fréquentes depuis quelques milliards d'années. On en a de beaux exemples, notamment la fameuse collision des Quatre fantastiques. L'anniversaire des 18 ans de Hubble a même été célébré par un Hubblecast portant sur les collisions et les fusions de galaxies observées par le télescope spatial.

Cliquer pour agrandir. Plusieurs collisions de galaxies permettent de reconstituer les différentes étapes d'un processus s'étalant sur des centaines de millions d'années. Crédit : NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration, A. Evans (University of Virginia, Charlottesville/NRAO/Stony Brook University), K. Noll (STScI), J. Westphal (Caltech)

Trop d'étoiles dans les premières galaxies

Toujours d'après la théorie standard, les galaxies spirales, riches en gaz et en poussières sont le lieu de formation de jeunes étoiles, en particulier lorsque ces galaxies entrent en collision. Lorsque deux spirales de taille comparable fusionnent, elles donnent lieu à la formation d'une galaxie elliptique et la formation d'étoiles est si importante qu'elle ne laisse pratiquement plus de gaz ni de poussières. C'est pourquoi les galaxies elliptiques sont vues comme le produit final de l'évolution des galaxies et ceci explique aussi pourquoi elles sont essentiellement constituées de vieilles étoiles rouges. Il ne s'agit en fait que d'un schéma général, la réalité observée et la théorie en rendant compte est en fait plus complexe...

Les dernières observations concernant les premiers milliards d'années de l'histoire de l'Univers posent cependant des problèmes à la théorie standard. Le taux de formation d'étoiles dans les galaxies massives s'y révèle trop important pour être expliqué par les fusions entre galaxies. On observe quelque chose qui ressemble plutôt à de grands disques de gaz, fragmentés en plusieurs grumeaux géants, au sein desquels les étoiles se forment activement avec un taux record de plusieurs centaines de masses solaires par an.

C'est pourquoi un groupe d'astrophysiciens mené par Avishai Dekel, de l'institut de physique Racah en Israël, en collaboration avec Romain Teyssier(Institut de Recherches sur les lois Fondamentales de l'Univers), a mené de nouvelles simulations sur un superordinateur, MareNostrum.

Elles semblent confirmer une théorie connue sous le nom de Stream-Fed Galaxies (SFG). Selon elle, les fusions entre galaxies n'étaient pas le principal facteur de leur croissance dans les premiers milliards d'années de l'Univers observable. La croissance des galaxies et la forte activité de formation d'étoiles à cette époque étaient dominées par des courants froids d'hydrogène et d'hélium suivant les filaments de matière noire où se rassemblent les amas de galaxies. Ces courants se faufilaient à leur tour dans les halos de matière noire pour alimenter les jeunes galaxies.

Grâce à ce modèle, les chercheurs semblent obtenir un bon accord entre la théorie et les observations et ils trouvent même que des grandes galaxies elliptiques peuvent se former sans faire intervenir des fusions entre spirales.