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Accueil du site > 02 - Livre Deux : SCIENCES > Atome : lois de la Physique ou rétroaction de la matière/lumière et du vide (...) > La formation des galaxies

La formation des galaxies

mercredi 8 juin 2011, par Robert Paris

Le modèle des protogalaxies est souvent admis comme le modèle classique de la formation des galaxies. Il stipule que, dans les débuts de l’univers, les gaz étaient répartis à peu près équitablement dans l’espace jusqu’à ce que ces gaz commencent à s’effondrer en étoiles qui atteignaient régulièrement les 200 masses solaires.

Ces étoiles se sont ensuite rassemblées en petits groupes sous l’effet de leur propre gravité, puis en plus grands groupes, puis en groupes encore plus grands et ainsi de suite jusqu’à former des galaxies.

Un modèle beaucoup plus récent, le modèle des courants froids, dit lui aussi que les gaz étaient répartis de manière uniforme, mais que la matière s’est rassemblée en courants froids convergeant vers des grumeaux plus denses. Certains de ces grumeaux se sont agglomérés, formant de gigantesques amas, d’où l’origine des galaxies elliptiques.

Les galaxies sont les constituants fondamentaux de l’univers. Chacune d’entre elles rassemble 100 milliards d’étoiles comme notre Soleil et s’étend sur plus de 50 000 années-lumière. Chaque galaxie se trouve au cœur d’un halo quasi-sphérique de matière noire, constituant dont la nature nous échappe encore mais que nous détectons indirectement par sa signature gravitationnelle. Les galaxies d’aujourd’hui, comme la Voie Lactée, ont une morphologie spirale. Ce sont des disques en rotation, riches en hydrogène gazeux, qui forment continument des étoiles,, de l’ordre de deux masses solaires par an. Comprendre la formation de ces galaxies est un des principaux défis de la cosmologie moderne. Le scénario standard est fondé sur une accrétion de gaz quasiment sphérique et sur des collisions entre galaxies plus anciennes. Il suppose que les étoiles se forment tout d’abord de façon lente et mesurée dans les galaxies spirales, puis de façon violente à l’occasion de collision entre deux spirales, conduisant à la formation d’une flambée de formation d’étoiles de plusieurs centaines de masses solaires par an, et à la formation d’une galaxie elliptique. Ce paradigme a été récemment remis en question par de nouvelles observations de galaxies réalisées par des télescopes géants, qui ont permis de sonder l’histoire de l’univers sur plus de 10 milliards d’années en arrière, 3 milliards d’années après le Big Bang. Ces galaxies massives forment des étoiles à un taux de plusieurs centaines de masses solaires par an, mais elles ne ressemblent pas du tout à des systèmes en collision. Elles ressemblent plutôt à de grands disques de gaz, fragmentés en plusieurs grumeaux géants, au sein desquels les étoiles se forment activement. Comment est-il possible que ces galaxies forment des étoiles si efficacement, sans mettre en jeu des collisions cosmiques entre galaxies ?

* Les scientifique ont encore beaucoup à apprendre de l’univers.

* Ainsi une équipe franco italienne d’astronomes a annoncée la découverte d’une incroyable populations de galaxies très lointaines qui invalide la thèse de formation actuelle.

* En effet se recensement de l’univers indique que les galaxies entre 1 et 4 milliards d’années après le big bang sont 2 a 6 fois plus nombreuse et forment 2 a 6 fois plus d’étoile.

* En résumé les galaxie forment beaucoup plus d’étoile lors quelle sont dans leur jeunesse contrairement a se que l’ont pensé.

Les propriétés capitales des galaxies à disque, également couramment désignées galaxies spirales, consistent en leur extrême finesse, leur rotation rapide et leur fréquente structure spiralée. Un des principaux défis de la formation des galaxies est le grand nombre des disques fins dans l’univers local. Le problème de l’extrême fragilité des disques fait que la fusion fréquente entre les galaxies peut rapidement amener à la disparition des disques.

Olin Eggen (en), Donald Lynden-Bell, and Allan Sandage[3] ont proposé en 1962 une théorie selon laquelle les galaxies à disques se forment par un effondrement monolithique de grands nuages de gaz. Lorsque le nuage s’effondre, le gaz s’établit sous la forme d’un disque en rotation rapide. Connu comme un scénario de formation vers le bas, cette théorie est assez simple, mais n’est plus aussi largement acceptée à cause des observations de l’Univers jeune qui suggèrent avec force que lors de leur formation, la croissance des objets se déroule vers le haut (i.e. de petits objets fusionnent pour en donner de plus gros). Ce sont Leonard Searle (en) et Robert Zinn (en) qui les premiers ont proposé l’idée que les galaxies se soient formées par la coalescence de géniteurs de tailles inférieures.

Des théories plus récentes incluent l’agglomération de halos de matière noire dans le processus ascendant. Essentiellement, dans les premiers âges de l’Univers, les galaxies étaient surtout composées de gaz et de matière noire, et il y avait ainsi très peu d’étoiles. Comme les galaxies ont gagné de la masse en accrêtant de plus petites galaxies, la matière noire est demeurée principalement dans leur partie externe. C’est parce que le matière noire ne peut interagir que gravitationnellement, et de ce fait ne se dissipe pas. Le gaz cependant peut se contracter rapidement, et de ce fait entrer en rotation accélérée, jusqu’au résultat final d’un disque très fin et en rotation très rapide.

Les astronomes ne connaissent pas actuellement la nature du processus qui arrête la contraction. En fait les théories de formation des galaxies à disque ne réussissent pas à reproduire la vitesse de rotation et la taille des disques de galaxies. On a suggéré que le rayonnement provenant d’étoiles brillantes de formation récente, ou bien d’un noyau actif de galaxie, pouvait ralentir la contraction d’un disque en formation. On a aussi suggéré que le halo de matière noire peut étirer la galaxie, arrêtant ainsi la contraction.

Récemment, un grand nombre d’initiatives ont convergé pour tenter de comprendre les évènements de fusion dans l’évolution des galaxies. Notre propre galaxie, la Voie lactée a une faible galaxie satellite (la Galaxie naine elliptique du Sagittaire), actuellement en cours de dépeçage et d’absorption par la Voie lactée. On pense que ce genre d’évènement est relativement courant dans l’évolution des grandes galaxies. La Galaxie Naine du Sagittaire orbite autour de la nôtre pratiquement à angle droit par rapport au disque. Elle traverse actuellement ce disque ; des étoiles des deux galaxies sont en train d’en être arrachées à chaque passage, et elles rejoignent le halo de notre galaxie. Il existe d’autres exemples de ces évènements mineurs d’accrétion, et c’est vraisemblablement un processus continu pour de nombreuses galaxies. Des preuves de ce processus sont souvent observés sous la forme de bandes ou de courants d’étoiles s’extrayant des galaxies.

Les galaxies d’aujourd’hui, comme notre Voie lactée, ont une morphologie spirale. Ce sont des disques en rotation, riches en hydrogène gazeux, qui forment continûment des étoiles (de l’ordre de deux masses solaires sur une année). Pour comprendre la formation de ces galaxies, le scénario standard se fonde sur une accrétion de gaz quasiment sphérique et sur des collisions entre galaxies plus anciennes. Il suppose que les étoiles se forment tout d’abord de façon lente et mesurée dans les galaxies spirales, puis de façon violente à l’occasion de collisions entre deux spirales, conduisant à des flambées de formation stellaire de plusieurs centaines de masses solaires par an, et à la formation d’une galaxie elliptique.

Ce modèle a été récemment remis en question par de nouvelles observations réalisées par des télescopes géants, qui ont permis de sonder l’histoire de l’Univers sur plus de 10 milliards d’années en arrière, soit 3 milliards d’années après le Big Bang. Ces galaxies massives forment des étoiles à un taux de plusieurs centaines de masses solaires par an, mais ne ressemblent pas à des systèmes en collision. Elles ressemblent plutôt à de grands disques de gaz, fragmentés en plusieurs grumeaux géants, au sein desquels les étoiles se forment activement. Comment est-il possible que ces galaxies forment des étoiles si efficacement, sans mettre en jeu des collisions cosmiques importantes entre galaxies ?

L’équipe internationale de cosmologistes auteur de la publication dans Nature, propose un nouveau scénario de la formation des galaxies qui explique ces observations mystérieuses. Cette interprétation s’appuie sur une simulation numérique d’une puissance sans précédent, réalisée par le Projet Horizon(2). Cette percée a été rendue possible grâce à l’utilisation d’un programme hydrodynamique à raffinement automatique sur l’un des plus gros ordinateurs du monde, le ‘MareNostrum’ du Centre de Calcul de Barcelone(3). Les informaticiens et les astrophysiciens ont d’abord "découpé" l’Univers en plus de 10243 mailles – la maille est le calcul de base de la simulation numérique – pour représenter sa structure ; ils ont ensuite modélisé les processus physiques en jeu dans un algorithme, pour montrer la façon dont les étoiles interagissent avec le gaz. Après quatre semaines de calcul intensif, réalisées en parallèle sur plus de 2 000 processeurs, la simulation a fait apparaître plus de 100 000 galaxies massives à l’intersection d’un réseau complexe de filaments gazeux (voir figure). « La précision et la taille de cette simulation ont permis pour la première fois d’étudier en détail comment les galaxies focalisent la matière qui les constitue et qui les conduit à former des étoiles », explique Romain Teyssier, responsable du projet Horizon. « Dans cette nouvelle interprétation, la plupart des galaxies croissent par accrétion continue de gaz venant de courants froids, plutôt que par des collisions entre galaxies satellites. Nous les avons donc baptisées "les Galaxies à Courants Froids" ». « Le plus souvent, on compte trois filaments froids par galaxie, qui s’inscrivent dans la structure à grande échelle de l’univers, ce que l’on appelle la "Toile Cosmique" » confirme Christophe Pichon de l’institut d’astrophysique. Comme on peut le voir sur l’image zoomée autour d’une de ces galaxies (voir figure), ces courants froids pénètrent à travers le halo de matière noire et de gaz chaud jusqu’au centre, là où se trouve le disque galactique. Ainsi enrichi en gaz frais, ce dernier se fragmente en grumeaux massifs au sein desquels se forment les étoiles.

Grâce à leurs calculs, les astrophysiciens de l’équipe franco-israélienne ont pu vérifier que cette interprétation, conforté par la simulation, s’accorde avec les observations. Ce scénario correspond à une nouvelle explication possible pour la formation de la Voie Lactée.

Notes :

(1) Irfu : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers

(2) Il s’agit d’une collaboration entre le CEA, l’INSU-CNRS et les Universités regroupant une vingtaine de chercheurs et d’enseignants, experts en simulation numérique et spécialistes de la formation des structures dans l’Univers (http://www.projet-horizon.fr)

(3) La simulation a débuté en septembre 2006 et a duré quatre mois (http://www.bsc.es)

Qu’est-ce qu’une galaxie ?

Image de galaxie

Comment se forment les galaxies

Du nouveau sur la formation des galaxies

Les galaxies les plus massives sont les galaxies elliptiques géantes. Leurs étoiles sont sur des orbites orientées de façon aléatoire à l’intérieur de la galaxie. C’est-à-dire que leur rotation n’est pas combinée avec celle du disque de la galaxie. Elles se composent de vieilles étoiles et ne comportent pas ou très peu de poussière. Toutes les galaxies elliptiques trouvées à ce jour recèlent un trou noir supermassif central, et la masse de ces trous noirs est en corrélation avec celle de la galaxie elliptique. Les galaxies elliptiques ne sont pas entourées d’un disque, bien que quelques bulbes de galaxies à disque paraissent les assimiler aux galaxies elliptiques. Il est plus vraisemblable de trouver des galaxies elliptiques dans les régions les plus peuplées de l’Univers, telles que les amas de galaxies.

Les astronomes voient maintenant les galaxies elliptiques comme les systèmes les plus évolués de l’Univers. Que le moteur principal de l’évolution des galaxies elliptiques soit la fusion avec des galaxies de tailles inférieures est une idée maintenant largement acceptée. Ces fusions peuvent être extrêmement violentes ; les galaxies se télescopent souvent à des vitesses de 500 km.s-1 (soit de l’ordre de 2 millions de km.h-1).

Les galaxies sont des formes organisées de la matière mais elles ne préexistaient pas. Elles se sont formées à partir du désordre par auto-organisation.

Les galaxies actuelles, comme la Voie Lactée, se sont formées au sein de courants de gaz froid. C’est ce que viennent de démontrer à l’aide de simulations numériques de haute performance une équipe d’astrophysiciens français du CEA-Irfu, de l’Insu-CNRS, des universités Paris Diderot, Pierre et Marie Curie et une équipe de l’université hébraïque de Jérusalem.

Les galaxies d’aujourd’hui, comme notre Voie Lactée, ont une morphologie spirale. Ce sont des disques en rotation, riches en hydrogène gazeux, qui forment continûment des étoiles (de l’ordre de deux masses solaires sur une année).

Pour comprendre la formation de ces galaxies, le scénario standard se fonde sur une accrétion de gaz quasiment sphérique et sur des collisions entre galaxies plus anciennes. Il suppose que les étoiles se forment tout d’abord de façon lente et mesurée dans les galaxies spirales, puis de façon violente à l’occasion de collision entre deux spirales, conduisant à la formation d’un "starburst" (siège de formation très intense d’étoiles, ndlr) de plusieurs centaines de masses solaires par an, et à la formation d’une galaxie elliptique. Ce modèle a été récemment remis en question par de nouvelles observations réalisées par des télescopes géants, qui ont permis de sonder l’Histoire de l’Univers sur plus de 10 milliards d’années en arrière, soit 3 milliards d’années après le Big Bang.

Les galaxies massives forment des étoiles à un taux de plusieurs centaines de masses solaires par an, mais ne ressemblent pas à des systèmes en collision. Elles ressemblent plutôt à de grands disques de gaz, fragmentés en plusieurs grumeaux géants, au sein desquels les étoiles se forment activement. Comment est-il possible que ces galaxies forment des étoiles si efficacement, sans mettre en jeu des collisions cosmiques entre galaxies ? L’équipe internationale à l’origine de la nouvelle théorie a utilisé un programme informatique développé par le CEA-Irfu sur l’un des plus gros ordinateurs du monde, le ’MareNostrum’ du Centre de Calcul de Barcelone.

Les informaticiens et les astrophysiciens ont d’abord ’découpé’ l’univers en plus de 3 000 mailles – la maille est le calcul de base de la simulation numérique – pour représenter sa structure ; ils ont ensuite modélisé les processus physiques en jeu pour montrer la façon dont les étoiles interagissent avec le gaz.

Après quatre semaines de calculs intensifs, réalisés en parallèle sur plus de 2 000 processeurs, la simulation a fait apparaître plus de 100 000 galaxies massives à l’intersection d’un réseau complexe de filaments gazeux.

« La précision et la taille de cette simulation ont permis pour la première fois d’étudier en détail comment les galaxies focalisent la matière qui les constitue et qui les conduit à former des étoiles », explique Romain Teyssier, responsable du projet Horizon. « Dans cette nouvelle théorie, la plupart des galaxies croissent par accrétion continue de gaz venant de courants froids, plutôt que par des collisions entre galaxies satellites. Nous les avons donc baptisées "les Galaxies à Courants Froids". »

En moyenne, on compte trois filaments froids par galaxie. Ces courants froids pénètrent à travers le halo de matière noire et de gaz chaud jusqu’au centre, là où se trouve le disque galactique. Ainsi enrichi en gaz frais, ce dernier se fragmente en grumeaux massifs au sein desquels se forment les étoiles.

Ces travaux font l’objet d’une publication dans Nature du 22 janvier 2009.

Extrait d’un texte du CEA :

Le scénario standard de formation des structures commence avec l’apparition des premières étoiles, celles-ci s’assemblent ensuite en galaxies naines puis en galaxies spirales. Ces galaxies entrent en collision pour former des galaxies elliptiques, puis plus tard des objets plus vastes encore que sont les amas de galaxies. Ces amas sont les structures les plus massives que l’on observe aujourd’hui. Ils pourraient néanmoins se rassembler dans le futur au sein de structures gigantesques : les super amas. Juste après le Big-Bang, l’Univers est un gaz chaud, relativement homogène, en expansion : comment à partir de ce gaz, les différentes structures de l’Univers sont-elles apparues ? Comment sont nées successivement étoiles, galaxies et amas de galaxies ? Les astrophysiciens s’intéressent depuis longtemps aux processus physiques à l’origine de la formation des structures de l’Univers. Ils tentent de modéliser, par des calculs complexes de mécanique des fluides autogravitants5, l’évolution de l’Univers depuis le Big-Bang jusqu’à nos jours. Ils pensent aujourd’hui que de petites hétérogénéités dans le plasma originel sont à l’origine de la formation des galaxies et des amas de galaxies au cours de son expansion. Ce sont ces « grumeaux » de l’Univers primordial qui conditionnent son évolution vers la structure complexe que l’on observe aujourd’hui. En variant les conditions initiales, c’est-à-dire en choisissant différents états de l’Univers juste après le Big-Bang, et en lui appliquant les effets de processus physiques connus (les lois de l’hydrodynamique et de la gravité), ils essaient de retrouver un Univers dont les grandes structures et la répartition de matière ressemblent au nôtre.

suite à venir

2 Messages de forum

  • La formation des galaxies 8 juin 2011 03:30, par alain

    Hubble, pionnier des télescopes spatiaux, aux observations faites avec son jeune descendant Spitzer pour calculer les âges de ces premières galaxies et leurs masses. "Les masses de ces toutes premières galaxies représentaient environ 1% de celle de la Voie Lactée", explique Ivo Labbé, de Carnegie Observatories, un des membres de l’équipe de recherche. "A notre plus grande surprise, les résultats montrent que ces galaxies existaient 700 millions d’années après le Big Bang (qui a théoriquement marqué le début de l’univers), ce qui signifie qu’elles ont dû commencer à former des étoiles plusieurs centaines de millions d’années plus tôt et repousse encore davantage la date des premières formations stellaires", poursuit-il.

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  • La formation des galaxies 8 juin 2011 04:14, par arthur

    Les galaxies pourraient s’être formées beaucoup plus tôt qu’on ne le pensait dans l’Histoire de l’Univers, suggère une nouvelle étude menée par une équipe de chercheurs internationaux.

    A partir d’images obtenues avec les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer puis complétée par des observations du télescope Keck, une équipe de chercheurs emmenée par les français Johan Richard et Jean-Paul Kneib, s’est concentrée sur une galaxie cachée aux confins de l’Univers, à environ 12,8 milliards d’années-lumière de nous !
    Le décalage vers le rouge (redshift = 6,027) indique que nous la voyons telle qu’elle était, quand l’Univers n’était âgé que de 950 millions d’années ! En outre, l’étude de sa population d’étoiles révèle que certaines d’entre elles sont déjà très âgées : 750 millions d’années ! Des chiffres qui ne sont pas sans bousculer les idées reçues sur l’histoire énigmatique et constellée de zones d’ombre de la formation des galaxies, et tout particulièrement, des premières galaxies … !
    Cette observation nous emmène 200 millions d’années seulement après le « big bang ». Ainsi des regroupements d’étoiles – ou galaxie (toutefois une galaxie n’est pas seulement un attroupement d’étoiles …) – étaient-ils déjà en marche. Voilà qui invite les astrophysiciens à revoir les scénarios de la formation des galaxies primitives.
    Rappelons aussi qu’en ce temps-là, l’abondance de l’hydrogène neutre baignait intégralement l’Univers primitif et entravait la progression du rayonnement ultraviolet. Cette période fut suivie par ce qui est appelée « ére de re-ionisation » qui dissipa, pou ainsi dire, l’ensemble de ce brouillard achevant ainsi un âge sombre ou « dark age« . L’étude de ce « cas » galactique exceptionnel offre une possibilité de mieux comprendre cette période … encore sombre !

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