Cette vue d'artiste d'ID2299 montre la galaxie, fruit d'une collision galactique, et une partie de son gaz éjecté par une « queue de marée » à la suite de la fusion. Elle illustre les nouvelles observations faites avec Alma, dont l'ESO est partenaire qui ont permis de saisir les premières étapes de cette éjection, avant que le gaz n'atteigne les très grandes échelles. © ESO, M. Kornmesser
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Cette galaxie lointaine en collision est en train de mourir

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[EN VIDÉO] Les collisions de galaxies dans l’univers  Les collisions de galaxies ne sont pas rares dans l’univers. C’est même l’un des processus de croissance des galaxies. Ainsi, dans quelques milliards d’années, la Voie lactée entrera en collision avec celle d’Andromède. Cette vidéo provient du projet Du Big Bang au vivant, qui regroupe une dizaine de scientifiques. © Groupe ECP, www.dubigbangauvivant.com 

L'Univers observable contient des galaxies « mortes » car ne contenant plus de gaz pouvant assurer le renouvellement de la formation de jeunes étoiles. Alma a débusqué une fusion de galaxies en cours il y a 9 milliards d'années montrant l'agonie de ces astres.

Il y a 60 ans, juste avant la découverte des quasars, le modèle cosmologique standard était celui d'un Univers sans commencement ni fin dans le temps et spatialement infini bien qu'en expansion éternelle. Pour un observateur, peu importait donc son lieu de naissance et sa date sur la grande horloge cosmique, le cosmos autour de lui, et aussi loin que ses télescopes pouvaient porter, aurait toujours eu le même aspect. Un temps cosmique existait également pourvu que la distribution de matière à suffisamment grande échelle soit homogène, tout comme le montrent aujourd'hui les observations des quasars et des grandes structures cosmiques formant des filaments d'amas de galaxies.

Pour maintenir une densité constante et uniforme, des processus de création de matière étaient postulés, pas si éloignés finalement de ce qui sera proposé pour faire naître les particules de matière via la théorie de l'inflation.

Mais ce modèle cosmologique, déjà en difficulté avec l'observation des quasars uniquement à plusieurs milliards d'années-lumière et donc dans un lointain passé, ce qui n'était pas en accord avec un cosmos identique et partout et tout le temps, volera en éclat avec la découverte du rayonnement fossile en 1965. Des pionniers, comme le prix Nobel James Peebles, en prendront acte tout de suite et commenceront à construire des théories concernant la naissance des galaxies et la formation des grandes structures les rassemblant. Les observations suivront ou devanceront ces théories grâce à des télescopes comme Hubble ou ceux du W. M. Keck Observatory.

Depuis 13,7 milliards d’années, l’Univers n’a cessé d’évoluer. Contrairement à ce que nous disent nos yeux lorsque l’on contemple le ciel, ce qui le compose est loin d’être statique. Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution. Il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui. © CEA Recherche

Une galaxie éjectant 10.000 fois la masse du Soleil sous forme de gaz chaque année

Des myriades de galaxies vont ainsi être scrutées à toutes les longueurs d'onde par les yeux de la noosphère qui va prendre conscience qu'elles évoluent irréversiblement comme les étoiles, et qu'à plusieurs reprises certaines sont mortes en perdant tellement de gaz que la formation stellaire y est devenue quasi impossible.

On sait pourtant qu'à l'occasion de collisions, des flambées d'étoiles se produisent dans les galaxies qui contiennent encore du gaz. Toutefois, ces grandes collisions sont moins importantes qu'on ne le pensait il y a encore 15 ans et un autre paradigme explique mieux la croissance des galaxies et l'apparition fiévreuse de nouvelles étoiles, celui des courants froids, comme l'a expliqué à Futura le cosmologiste et astrophysicien Romain Teyssier.  

Mais, aujourd'hui, des observations menées avec l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma), le réseau de radiotélescopes de l'Observatoire européen austral (ESO), révèlent une galaxie perturbée par une collision géante qui se termine et qui est à l'agonie.

Distante d'environ 9 milliards d'années de la Voie lactée, la lumière trahissant l'occurrence de cette catastrophe cosmique nous montre la galaxie ID2299 telle qu'elle était alors que l'Univers observable n'avait que 4,5 milliards d'années. Comme l'explique un article publié dans Nature Astronomy, ID2299 perdait alors l'équivalent de 10.000 fois la masse du Soleil sous forme de gaz chaque année. Sur une période d'un million d'années, c'est donc la matière nécessaire à la formation de 10 milliards de Soleil qui pourrait ainsi être éjectée dans l'espace intergalactique. Rappelons que notre propre Galaxie ne contient que quelques centaines de milliards d'étoiles. On mesure donc combien quelques dizaines de millions d'années de ce régime seraient plus que suffisantes pour épuiser un réservoir de gaz pouvant faire naître une galaxie par effondrement gravitationnel.

L'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) est un télescope à la pointe de la technologie pour étudier la lumière de certains des objets les plus froids de l'Univers. © European Southern Observatory (ESO)

ID2299, un laboratoire pour percer les secrets de l'agonie des galaxies

Cette constatation prend du relief lorsque l'on sait que les galaxies elliptiques sont très majoritairement dépourvues de gaz, de sorte qu'on les considère comme mortes puisque la formation stellaire ne s'y produit plus. Minoritaires dans le cosmos observable, on pense qu'elles sont générées par des collisions suivies de fusions entre des grandes galaxies spirales.

On a des raisons de penser que l'éjection du gaz lors des collisions est au moins en partie due à une alimentation copieuse des trous noirs supermassifs dans ces galaxies. Le rayonnement produit par l'accrétion de matière constituerait alors un souffle puissant, comme dans le cas du vent solaire pour les comètes, éjectant le gaz intragalactique. Mais, tout ceci reste à étudier et à confirmer en détail car le souffle des explosions en supernovae de jeunes étoiles massives est aussi à prendre en considération.

On comprend donc l'intérêt des observations concernant ID2299 qui pourrait donc servir d'un excellent laboratoire pour comprendre la mort des galaxies car, comme l'explique dans un communiqué de l'ESO Annagrazia Puglisi, chercheuse de l'université de Durham, au Royaume-Uni et du Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives de Saclay (CEA-Saclay), en France, auteure principale de l'article de Nature :  « C'est la première fois que nous observons une galaxie massive à formation d'étoiles typique dans l'Univers lointain sur le point de « mourir » à cause d'une éjection massive de gaz froid... J'ai été ravie de découvrir une galaxie aussi exceptionnelle ! J'étais impatiente d'en savoir plus sur cet objet étrange car j'étais convaincue qu'il y avait là d'importants enseignements à tirer sur l'évolution des galaxies lointaines ».

Sa collègue Chiara Circosta, chercheuse à l'University College London (Royaume-Uni) précise, quant à elle, dans le même communiqué qu'« Alma a apporté un nouvel éclairage sur les mécanismes qui peuvent mettre fin à la formation d'étoiles dans les galaxies lointaines. Le fait d'être témoin d'une perturbation aussi importante constitue une nouvelle pièce importante du puzzle complexe de l'évolution des galaxies ».

La découverte avec ID2299 s'est faite par sérendipité car l'équipe d'astronomes, dont Chiara Circosta et Annagrazia Puglisi faisaient partie, analysait un sondage de galaxies destiné à étudier les propriétés du gaz froid dans plus de 100 galaxies lointaines. C'est avec l'observation de ce gaz éjecté avec une « queue de marée », une traînée allongée d'étoiles et de gaz s'étendant dans l'espace interstellaire qui résulte de la fusion de deux galaxies, que les chercheurs ont compris ce qui se déroulait sous leurs yeux.

L'étude de ce scénario va se poursuivre avec Alma mais aussi dans les années qui viennent avec la mise en service de l'Extremely Large Telescope de l'ESO. Plus largement, comme l'explique Emanuele Daddi, coauteur de l'étude au CEA-Saclay, cette découverte « suggère que les éjections de gaz peuvent être produites par des fusions et que les vents et les queues de marée peuvent apparaître très similaires. Cela pourrait nous amener à revoir notre compréhension de la façon dont les galaxies meurent ».

De fait, dans un communiqué du CEA, les chercheurs avancent que la perte de gaz constatée dans le cas de ID2299 ne cadre pas avec les prédictions issues des simulations numériques faisant intervenir, par rétroaction lors d'une collision galactique et l'apport de gaz associé, l'effet du souffle des trous noirs supermassifs et des supernovae. La perte de gaz est bien trop importante selon les astrophysiciens.

Cette image montre la distribution calculée par des simulations numériques du gaz dans une galaxie en fusion. Comme l'explique le communiqué du CEA, ces simulations montrent le système à un moment où la fusion des deux galaxies s'achève. Les zones en jaune indiquent les régions où le gaz est le plus dense alors que la majorité de ce gaz alimente la formation des nouvelles étoiles à un rythme rapide. Une partie du gaz est éjectée est bien visible dans une queue de marée dans une configuration similaire à l’état de ID2299. © Fensch et al. 2017

Par contre, les simulations montrent bien que l'effet d'arrachement des étoiles et du gaz d'une des galaxies par les forces de marée de l'autre, et donnant donc des queues de marée, est bel et bien en mesure d'éjecter la quantité de gaz observée. En bonus, la moitié restante du gaz froid dans ID2299 apparaît bien comme ayant été comprimée dans un noyau dense situé à son centre, ce qui conduit à une flambée de nouvelles étoiles (starburst) à un rythme 500 fois plus rapide que dans notre Voie lactée où seules quelques étoiles naissent chaque année tout au plus.

Comme des queues de marée sont souvent observées dans le cas de galaxies lointaines, comme les Galaxies des Antennes, on peut penser que ce sont en fait les queues de marée qui jouent un rôle central dans la mort des galaxies tôt dans l'histoire du cosmos observable.

Mais, comme on l'a dit, il faudra encore des observations pour faire la part des influences des trous noirs supermassifs, des supernovae et des queues de marée.

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