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Dynamique des galaxies : les progrès des simulations numériques récompensés

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Lia Athanassoula, chercheur au Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (OAMP/LAM/CNRS/Université de Provence), recevra le jeudi 29 décembre 2005 à Athènes le grand prix Photeinos de l'Académie des sciences grecque. Ce prix récompense un chercheur pour l'excellence de ses recherches en astronomie ou en astrophysique. Il sera remis en présence du président de la République Grecque.

Lia Athanassoula

Comment se transforme au cours du temps notre galaxie, la Voie Lactée ? Quelles sont les lois physiques qui régissent cette évolution ? Quelles sont les forces qui interagissent et conditionnentcette transformation morphologique ? Et plus généralement comment les galaxies à disque évoluent-elles ?... Autant de questions auxquelles les astrophysiciens tentent d'apporter des éléments de réponse mais l'exercice n'est pas simple car ces modifications s'étalent sur plusieurs milliards d'années et sont donc imperceptibles à l'échelle humaine. Pourtant, grâce à des outils informatiques très spécifiques et une excellente maîtrise des lois fondamentales de la physique, Lia Athanassoula en collaboration avec d'autres chercheurs du LAM a réussi à fournir un nouvel élément de réponse à ces questions bouleversant la pensée scientifique jusqu'alors appliquée dans les modèles présentant l'évolution de ces galaxies.

Cette équipe de chercheurs du Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (Lia Athanassoula, Albert Bosma, Jean-Charles Lambert) concentre ses efforts depuis plusieurs années sur l'étude des mécanismes physiques en jeu dans l'évolution des galaxies au cours du temps. Mais faire avancer notre connaissance dans ce domaine est un travail de longue haleine. Les observations que l'on peut faire des galaxies à un temps donné apportent certes de précieuses informations pour orienter les recherches mais le seul moyen dont disposent réellement les chercheurs est d'élaborer des modèles et des simulations qui reposent essentiellement sur les lois fondamentales de la physique. Aussi, pour ces astrophysiciens, l'outil essentiel n'est pas un télescope ou un satellite mais un puissant ordinateur, des cartes électroniques de calcul très spécialisées de type GRAPE et des compétences très pointues en programmation.

Comparaison du résultat d'une simulation (en haut, en bleu) avec la galaxie H87a observée avec le télescope spatial Hubble (en bas, fausses couleurs).

Grâce à la puissance de calcul ainsi mise en place, cette équipe de chercheurs a pu réaliser de nombreuses simulations sur l'évolution des galaxies en basant leur réflexion sur de nouvelles hypothèses de travail. Les résultats obtenus ont été essentiels. Ils ont totalement bouleversé la pensée jusqu'alors en vigueur.

L'apport du programme GRAPE a été fondamental. Il n'aurait en effet pas été possible de valider les hypothèses avancées par cette équipe sans ces cartes électroniques très performantes. GRAPE a donc permis à ces chercheurs de faire avancer d'un pas supplémentaire notre connaissance des mécanismes en cause dans l'évolution morphologique des galaxies à disque au cours du temps : On sait que les galaxies sont composées pour l'essentiel d'étoiles, de gaz et d'un halo de matière noire dont on ne connaît pas les propriétés physiques. En effet, la matière noire, matière invisible et inobservable, n'a pas encore livré ses secrets mais l'on sait toutefois qu'elle exerce une force gravitationnelle importante. Or, tous les modèles précédemment réalisés partaient du principe que le halo n'évolue pas dans le temps. Ils posaient cependant quelques problèmes d'interprétation des observations car ils introduisaient un certain nombre d'erreurs dans les résultats des simulations. Les chercheurs considéraient en effet que le halo stabilisait le disque de la galaxie, or les recherches menées par l'équipe marseillaise ont montré qu'en réalité le halo interagit fortement avec le disque sans le stabiliser.

La comparaison de ces deux simulations sur ordinateur permet de voir l'apport du halo dans l'évolution de la galaxie. En haut le disque est vu de face et au milieu et en bas par la tranche. La simulation à droite est faite avec un halo rigide, qui n'évolue pas avec le temps. La simulation à gauche permet au halo d'évoluer en même temps que le disque. Ainsi une barre forte peut se former, ce qui n'était pas possible avec la description simplifiée du halo rigide.

Les nouveaux modèles prennent donc en compte l'évolution des halos, et en particulier leur interaction avec les autres éléments de la galaxie. De ce fait, les résultats des simulations sont plus en accord avec les observations. L'évolution morphologique des galaxies au cours du temps est ainsi totalement différente de ce que l'on prévoyait jusqu'à présent comme le montrent les résultats des simulations.

Cette approche a également un autre intérêt majeur. En effet, il est aujourd'hui possible de contraindre la valeur de certaines caractéristiques du halo comme la quantité et la répartition de sa masse ou ses mouvements internes à partir des modèles d'évolution des galaxies. Nous pouvons donc commencer à caractériser les halos bien que nous ne puissions pas les observer réellement.

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