Les galaxies massives telles que la Voie Lactée sont entourées de nombreuses galaxies naines satellites. Selon les modèles cosmologiques standards, ces dernières se seraient formées très tôt dans l’histoire de l’Univers àpartir de l’effondrement de petites fluctuations primordiales ; elles auraient ensuite échappé au processus de fusion qui a détruit nombre de leurs congénères en formant hiérarchiquement les galaxies les plus massives. Aussi le nombre de ces satellites, ainsi que leur distribution spatiale, constituent un test important des scénarios cosmologiques. Ils renseignent àla fois sur la structuration de l’Univers et sur la nature des halos de matière noire dans lesquels ils orbitent. L’abondance des galaxies naines de notre Groupe Local, moindre par rapport àcelle attendue, pose d’ailleurs de sérieux problèmes au scénario cosmologique standard. De même, l’observation récente dans de grands sondages de galaxies proches, comme celui du Sloan Digital Sky Survey (SDSS), d’une distribution particulière, plutôt anisotrope, des galaxies satellites a suscité de nombreux débats. Mais avant d’utiliser les galaxies naines comme traceur de l’évolution de l’Univers, il faut s’assurer que toutes ont bien une origine primordiale. En effet, un autre mode de genèse galactique a été mis en évidence depuis une quinzaine d’années : lorsque des galaxies spirales entrent en collisions, elles développent par effet de marée de longues « Antennes  ». Dans ces queues de marée, de nouvelles galaxies naines peuvent àleur tour se former : ce sont les « galaxies naines de marée  ». Savoir si ces naines de marée peuvent survivre longtemps au-delàde la collision de spirales massives àleur origine et si elles contribuent de manière importante au nombre final des galaxies naines dans l’Univers sont des questions fondamentales auxquelles les observations n’ont pu jusqu’àprésent offrir de réponses satisfaisantes. En effet, il est très difficile de distinguer les naines de marée des naines primordiales dès qu’elles sont âgées de quelques centaines de millions d’années.

tdg-f1.jpg Figure 1 : Exemple d’une simulation de collision entre deux galaxies spirales. Chaque image correspond àl’état du système àdes moments clefs : àT=0 , début de la collision ; àT=300 millions d’années, formation des naines de marée dans les longues queues de marée ; àT=1 milliard d’années, alors que les naines de marée qui ont survécu apparaissent comme des galaxies satellites en orbite autour de leurs galaxies parents qui ont entre temps fusionné (voir aussi le film ci-dessous). En bas àgauche, zoom sur l’une des naines de marée dévoilant sa structure spirale interne, obtenu avec une simulation àtrès haute résolution (10 parsecs). Les couleurs correspondent aux régions dominées respectivement par les vielles étoiles (rouge) et le gaz interstellaire et les étoiles jeunes (bleu). Cliquer sur l’image pour l’agrandir  

Des chercheurs de l’Observatoire de Paris et du CEA/Saclay ont utilisé des simulations numériques pour résoudre le problème (voir Figure 1). En simulant de manière réaliste une centaine de collisions entre galaxies spirales, et en identifiant environ 600 galaxies naines se formant dans leurs queues de marée, ils ont pu étudier le devenir de celles-ci. Cette équipe est parvenue àmontrer que si une grande partie des naines de marée sont rapidement détruites, environ un quart survit deux milliards d’années voire plus. Elles apparaissent alors comme de nouvelles galaxies satellites orbitant autour de leur progéniteur - dont la collision est depuis longtemps achevée - au même titre que les galaxies naines primordiales de l’Univers.

tdg-film.avi Film d’une simulation numérique de collision de deux galaxies spirales. Deux longues queues de marée se développent, et en leur sein se forment des galaxies naines (ainsi que des objets moins massifs, peut-être des amas globulaires). Noter en particulier l’objet formé àl’extrémité de la queue de marée en haut de l’animation : cette galaxie naine de marée contient près de 2 pourcents de la masse de son progéniteur, et survit plusieurs milliards d’années en orbitant autour de la galaxie centrale (les deux progéniteurs initiaux ayant fusionné). D’autres objets sont plus rapidement réabsorbés par les galaxies massives qui leur ont donnée naissance. Les couleurs correspondent aux régions dominées respectivement par les vielles étoiles (rouge) et le gaz interstellaire et les étoiles jeunes (bleu). Cliquer ici pour télécharger le film complet àplus haute résolution (27 Mo, format AVI)  

L’analyse statistique du grand nombre de simulations réalisées a permis de conclure que les naines de marée ne doivent représenter que quelques pourcents du total des galaxies naines de l’Univers. Toutefois, dans certains environnements tels que la proximité directe des galaxies de type précoce et des galaxies elliptiques, ou les groupes compacts de galaxies, la contribution des naines de marée doit être beaucoup plus importante, non négligeable par rapport àcelle des galaxies naines primordiales. Etant donnée leur distribution spatiale particulière autour de leur progéniteur, anisotrope et limitée en rayon - elle aussi prédite par ces simulations numériques -, les galaxies naines de marée doivent modifier les propriétés statistiques de la population d’ensemble des galaxies naines. Leur existence sera donc un élément àprendre en compte àl’avenir pour contraindre les scénarios cosmologiques et la nature de la matière noire. D’ailleurs leur distribution anisotrope autour de leurs galaxies parents n’est pas sans rappeler celle observée dans le sondage du SDSS (voir Figure 2).

tdg-f2.jpg Figure 2 : Distribution des galaxies naines de marée dans les simulations, comparée àla distribution observée des galaxies naines satellites autour de leurs galaxies hôtes massives (résultats du SDSS, Yang et al. 2006). Ces deux distributions sont anisotropes : les galaxies naines de marée, tout comme les galaxies naines observées, ont tendance àse concentrer aux faibles inclinaisons, autour du plan équatorial de leur galaxie hôte. Enfin, ces travaux prouvent qu’il doit exister des galaxies naines de marée agées de plus d’un milliard d’années ; leur identification observationnelle est un objectif important car la mesure de leur contenu interne en matière noire constitue également un test clef - les observations n’ont jusqu’àprésent permi d’identifier que de jeunes naines de marée encore en cours de formation. Selon que les vielles naines de marée contiennent de la matière noire ou pas, les scénarios cosmologiques devront être révisés. Voir aussi : CEA Press release, and CNRS Press release. ----
Référence From Tidal Dwarf Galaxies to Satellite Galaxies Bournaud F. & Duc P.-A. Astronomy and Astrophysics, in press ; astro-ph/0605350

Contact Frédéric Bournaud (Observatoire de Paris, LERMA/CNRS)

Les galaxies massives telles que la Voie Lactée sont entourées de nombreuses galaxies naines satellites. Selon les modèles cosmologiques standards, ces dernières se seraient formées très tôt dans l’histoire de l’Univers à partir de l’effondrement de petites fluctuations primordiales ; elles auraient ensuite échappé au processus de fusion qui a détruit nombre de leurs congénères en formant hiérarchiquement les galaxies les plus massives. Aussi le nombre de ces satellites, ainsi que leur distribution spatiale, constituent un test important des scénarios cosmologiques. Ils renseignent à la fois sur la structuration de l’Univers et sur la nature des halos de matière noire dans lesquels ils orbitent. L’abondance des galaxies naines de notre Groupe Local, moindre par rapport à celle attendue, pose d’ailleurs de sérieux problèmes au scénario cosmologique standard. De même, l’observation récente dans de grands sondages de galaxies proches, comme celui du Sloan Digital Sky Survey (SDSS), d’une distribution particulière, plutôt anisotrope, des galaxies satellites a suscité de nombreux débats. Mais avant d’utiliser les galaxies naines comme traceur de l’évolution de l’Univers, il faut s’assurer que toutes ont bien une origine primordiale. En effet, un autre mode de genèse galactique a été mis en évidence depuis une quinzaine d’années : lorsque des galaxies spirales entrent en collisions, elles développent par effet de marée de longues « Antennes ». Dans ces queues de marée, de nouvelles galaxies naines peuvent à leur tour se former : ce sont les « galaxies naines de marée ». Savoir si ces naines de marée peuvent survivre longtemps au-delà de la collision de spirales massives à leur origine et si elles contribuent de manière importante au nombre final des galaxies naines dans l’Univers sont des questions fondamentales auxquelles les observations n’ont pu jusqu’à présent offrir de réponses satisfaisantes. En effet, il est très difficile de distinguer les naines de marée des naines primordiales dès qu’elles sont âgées de quelques centaines de millions d’années.

tdg-f1.jpg Figure 1 : Exemple d’une simulation de collision entre deux galaxies spirales. Chaque image correspond àl’état du système àdes moments clefs : àT=0 , début de la collision ; àT=300 millions d’années, formation des naines de marée dans les longues queues de marée ; àT=1 milliard d’années, alors que les naines de marée qui ont survécu apparaissent comme des galaxies satellites en orbite autour de leurs galaxies parents qui ont entre temps fusionné (voir aussi le film ci-dessous). En bas àgauche, zoom sur l’une des naines de marée dévoilant sa structure spirale interne, obtenu avec une simulation àtrès haute résolution (10 parsecs). Les couleurs correspondent aux régions dominées respectivement par les vielles étoiles (rouge) et le gaz interstellaire et les étoiles jeunes (bleu). Cliquer sur l’image pour l’agrandir  

Figure 1 : Exemple d’une simulation de collision entre deux galaxies spirales. Chaque image correspond àl’état du système àdes moments clefs : àT=0 , début de la collision ; àT=300 millions d’années, formation des naines de marée dans les longues queues de marée ; àT=1 milliard d’années, alors que les naines de marée qui ont survécu apparaissent comme des galaxies satellites en orbite autour de leurs galaxies parents qui ont entre temps fusionné (voir aussi le film ci-dessous). En bas àgauche, zoom sur l’une des naines de marée dévoilant sa structure spirale interne, obtenu avec une simulation àtrès haute résolution (10 parsecs). Les couleurs correspondent aux régions dominées respectivement par les vielles étoiles (rouge) et le gaz interstellaire et les étoiles jeunes (bleu). Cliquer sur l’image pour l’agrandir  Des chercheurs de l’Observatoire de Paris et du CEA/Saclay ont utilisé des simulations numériques pour résoudre le problème (voir Figure 1). En simulant de manière réaliste une centaine de collisions entre galaxies spirales, et en identifiant environ 600 galaxies naines se formant dans leurs queues de marée, ils ont pu étudier le devenir de celles-ci. Cette équipe est parvenue à montrer que si une grande partie des naines de marée sont rapidement détruites, environ un quart survit deux milliards d’années voire plus. Elles apparaissent alors comme de nouvelles galaxies satellites orbitant autour de leur progéniteur - dont la collision est depuis longtemps achevée - au même titre que les galaxies naines primordiales de l’Univers.

tdg-film.avi Film d’une simulation numérique de collision de deux galaxies spirales. Deux longues queues de marée se développent, et en leur sein se forment des galaxies naines (ainsi que des objets moins massifs, peut-être des amas globulaires). Noter en particulier l’objet formé àl’extrémité de la queue de marée en haut de l’animation : cette galaxie naine de marée contient près de 2 pourcents de la masse de son progéniteur, et survit plusieurs milliards d’années en orbitant autour de la galaxie centrale (les deux progéniteurs initiaux ayant fusionné). D’autres objets sont plus rapidement réabsorbés par les galaxies massives qui leur ont donnée naissance. Les couleurs correspondent aux régions dominées respectivement par les vielles étoiles (rouge) et le gaz interstellaire et les étoiles jeunes (bleu). Cliquer ici pour télécharger le film complet àplus haute résolution (27 Mo, format AVI)  

Film d’une simulation numérique de collision de deux galaxies spirales. Deux longues queues de marée se développent, et en leur sein se forment des galaxies naines (ainsi que des objets moins massifs, peut-être des amas globulaires). Noter en particulier l’objet formé àl’extrémité de la queue de marée en haut de l’animation : cette galaxie naine de marée contient près de 2 pourcents de la masse de son progéniteur, et survit plusieurs milliards d’années en orbitant autour de la galaxie centrale (les deux progéniteurs initiaux ayant fusionné). D’autres objets sont plus rapidement réabsorbés par les galaxies massives qui leur ont donnée naissance. Les couleurs correspondent aux régions dominées respectivement par les vielles étoiles (rouge) et le gaz interstellaire et les étoiles jeunes (bleu). Cliquer ici pour télécharger le film complet àplus haute résolution (27 Mo, format AVI)  L’analyse statistique du grand nombre de simulations réalisées a permis de conclure que les naines de marée ne doivent représenter que quelques pourcents du total des galaxies naines de l’Univers. Toutefois, dans certains environnements tels que la proximité directe des galaxies de type précoce et des galaxies elliptiques, ou les groupes compacts de galaxies, la contribution des naines de marée doit être beaucoup plus importante, non négligeable par rapport à celle des galaxies naines primordiales. Etant donnée leur distribution spatiale particulière autour de leur progéniteur, anisotrope et limitée en rayon - elle aussi prédite par ces simulations numériques -, les galaxies naines de marée doivent modifier les propriétés statistiques de la population d’ensemble des galaxies naines. Leur existence sera donc un élément à prendre en compte à l’avenir pour contraindre les scénarios cosmologiques et la nature de la matière noire. D’ailleurs leur distribution anisotrope autour de leurs galaxies parents n’est pas sans rappeler celle observée dans le sondage du SDSS (voir Figure 2).

tdg-f2.jpg Figure 2 : Distribution des galaxies naines de marée dans les simulations, comparée àla distribution observée des galaxies naines satellites autour de leurs galaxies hôtes massives (résultats du SDSS, Yang et al. 2006). Ces deux distributions sont anisotropes : les galaxies naines de marée, tout comme les galaxies naines observées, ont tendance àse concentrer aux faibles inclinaisons, autour du plan équatorial de leur galaxie hôte. Enfin, ces travaux prouvent qu’il doit exister des galaxies naines de marée agées de plus d’un milliard d’années ; leur identification observationnelle est un objectif important car la mesure de leur contenu interne en matière noire constitue également un test clef - les observations n’ont jusqu’àprésent permi d’identifier que de jeunes naines de marée encore en cours de formation. Selon que les vielles naines de marée contiennent de la matière noire ou pas, les scénarios cosmologiques devront être révisés. Voir aussi : CEA Press release, and CNRS Press release. ----
Référence From Tidal Dwarf Galaxies to Satellite Galaxies Bournaud F. & Duc P.-A. Astronomy and Astrophysics, in press ; astro-ph/0605350

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Figure 2 : Distribution des galaxies naines de marée dans les simulations, comparée àla distribution observée des galaxies naines satellites autour de leurs galaxies hôtes massives (résultats du SDSS, Yang et al. 2006). Ces deux distributions sont anisotropes : les galaxies naines de marée, tout comme les galaxies naines observées, ont tendance àse concentrer aux faibles inclinaisons, autour du plan équatorial de leur galaxie hôte. Enfin, ces travaux prouvent qu’il doit exister des galaxies naines de marée agées de plus d’un milliard d’années ; leur identification observationnelle est un objectif important car la mesure de leur contenu interne en matière noire constitue également un test clef - les observations n’ont jusqu’àprésent permi d’identifier que de jeunes naines de marée encore en cours de formation. Selon que les vielles naines de marée contiennent de la matière noire ou pas, les scénarios cosmologiques devront être révisés. Voir aussi : CEA Press release, and CNRS Press release. ----
Référence From Tidal Dwarf Galaxies to Satellite Galaxies Bournaud F. & Duc P.-A. Astronomy and Astrophysics, in press ; astro-ph/0605350

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Enfin, ces travaux prouvent qu’il doit exister des galaxies naines de marée agées de plus d’un milliard d’années ; leur identification observationnelle est un objectif important car la mesure de leur contenu interne en matière noire constitue également un test clef - les observations n’ont jusqu’à présent permi d’identifier que de jeunes naines de marée encore en cours de formation. Selon que les vielles naines de marée contiennent de la matière noire ou pas, les scénarios cosmologiques devront être révisés. Voir aussi : CEA Press release, and CNRS Press release. ----
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Dernière modification le 22 février 2013

Massive galaxies like our Milky-Way are surrounded by many dwarf satellite galaxies. Standard cosmological models assume that the later ones were formed very early in the Universe and result from the collapse of primordial fluctuations ; they would then have steered clean of the merging process that destroyed many of their congeneric while hierarchically forming the most massive galaxies. Hence, the observed abundance of these dwarf satellites, as well as their spatial distribution, are fundamental tests for cosmological scenarios, that shed light both on the structure of the Universe and the nature of dark matter haloes in which they are orbiting. The number of dwarf galaxies in our Local Group - much lower than expected - is a serious problem for the standard cosmological scenario. Similarly, the observation of an anisotropic distribution of dwarf galaxies around their massive hosts in large surveys, in particular the Sloan Digital Sky Survey (SDSS), has recently nourished many debates. However, before using dwarf galaxies as a tracer of the evolution of the Universe, one should make sure that they all actually have a primordial cosmological origin. Indeed, another process possibly forming dwarf satellite galaxies has been pointed out for more than a decade : when massive spiral galaxies collide, they build up long Antennae-like tidal tails. In these tails, new dwarf galaxies can form : the so-called « Tidal Dwarf Galaxies ». Whether these tidal dwarfs can survive after the collision of their massive parent galaxies, and subsequently have a noticeable contribution to the total number of dwarf galaxies in the Universe are fundamental questions. Up to now, observational attempts failed to provide satisfying answers. Indeed, it is hard to distinguish dwarf galaxies of tidal origin from primordial dwarfs as soon as they are a few hundred million years old.

tdg-f1.jpg Figure 1 : Example of a numerical simulation of the collision of two spiral galaxies. Each snapshot corresponds to a particular stage of the process : at T=0, beginning of the collision ; at T=300 million years, formation of dense substructures (future dwarf galaxies) in two long tidal tails ; at T=1 billion years, the long-lived tidal dwarfs appear as satellite galaxies orbiting around their progenitors that have now merged into one single massive galaxy (see also the movie below). To the bottom-left, is an enlargement of one of these tidal dwarfs unveiling its internal spiral structure, in a very-high resolution simulation (10 parsecs). The color code is as follows : red for regions dominated by old stars, blue for regions dominated by young stars and interstellar gas. Click on the picture to enlarge it  

Figure 1 : Example of a numerical simulation of the collision of two spiral galaxies. Each snapshot corresponds to a particular stage of the process : at T=0, beginning of the collision ; at T=300 million years, formation of dense substructures (future dwarf galaxies) in two long tidal tails ; at T=1 billion years, the long-lived tidal dwarfs appear as satellite galaxies orbiting around their progenitors that have now merged into one single massive galaxy (see also the movie below). To the bottom-left, is an enlargement of one of these tidal dwarfs unveiling its internal spiral structure, in a very-high resolution simulation (10 parsecs). The color code is as follows : red for regions dominated by old stars, blue for regions dominated by young stars and interstellar gas. Click on the picture to enlarge it  Researchers from Paris Observatory and CEA/Saclay have used numerical simulations to resolve this issue (see Figure 1). They have simulated in a realistic way nearly one hundred of collisions between spiral galaxies, and identified about 600 dwarf galaxies formed in their tidal tails, which enabled them to study their evolution statistically. They have shown that even if a large fraction of tidal dwarfs are short-lived, about one fourth survive several billion years. These long-lived objects look like new satellite galaxies, orbiting around their progenitor - whose collision is over - exactly like primordial dwarf galaxies.

tdg-film.avi Movie of a numerical simulation showing the collision and merging of two massive spiral galaxies. Two long tidal tails develop, inside which several dwarf galaxies form (as well as lower-mass objects, probably globular clusters). Note in particular the object formed at the tip of the tail on top of the movie : this tidal dwarf galaxy contains nearly 2 percent of the mass of its progenitor, and survives for several billion years, orbiting around the central galaxy (the two progenitor spirals finally merge into one single galaxy). Some other objects more rapidly fall back onto their massive parents. Colors correspond respectively to regions dominated by old stars (red) and by young stars and interstellar gas (blue). Click to download the complete high-resolution movie (27 Mo, AVI format)  

Movie of a numerical simulation showing the collision and merging of two massive spiral galaxies. Two long tidal tails develop, inside which several dwarf galaxies form (as well as lower-mass objects, probably globular clusters). Note in particular the object formed at the tip of the tail on top of the movie : this tidal dwarf galaxy contains nearly 2 percent of the mass of its progenitor, and survives for several billion years, orbiting around the central galaxy (the two progenitor spirals finally merge into one single galaxy). Some other objects more rapidly fall back onto their massive parents. Colors correspond respectively to regions dominated by old stars (red) and by young stars and interstellar gas (blue). Click to download the complete high-resolution movie (27 Mo, AVI format)  The statistical analysis of the large set of simulations demonstrates that only a few percents of the dwarf galaxies present in the Universe can have such a tidal origin. Yet, this fraction is likely to be much higher in some regions, like the neighborhood of early-type and elliptical galaxies, as well as compact galaxy groups in which the contribution of tidal dwarfs could even be of the same order as that of primordial ones. Numerical simulations also indicate how tidal dwarfs are spatially distributed around their massive host galaxies : their distribution is anisotropic and limited in radius. Then, the presence of these tidal dwarfs is likely to modify the statistical properties of the overall population of dwarf satellites. This must be accounted for before using statistics on dwarf satellites to constrain cosmological scenarios and the nature of dark matter. Besides, the anisotropic distribution of tidal dwarfs around their host recalls that of observed dwarf satellite in the SDSS survey (see Figure 2).

tdg-f2_en.jpg Figure 2 : Spatial distribution of tidal dwarf galaxies in numerical simulations, compared to the observed distribution of dwarf satellites around their massive hosts (results from the SDSS, Yang et al. 2006). Both distributions are anisotropic : simulated tidal dwarf galaxies, like observed dwarfs, tend to concentrate at low inclinations towards the equatorial plane of their host galaxy. Lastly, this work proves that dwarf galaxies of tidal origin, formed a few billion years ago in collisions of massive galaxies, certainly exist. Their observational quest is now an important goal, for their internal dark matter content is also a fundamental test - only young, still forming, tidal dwarfs have been observed sofar. Whether old tidal dwarfs contain dark matter or not will help refining cosmological scenarios. See also : CEA Press release, and CNRS Press release.

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Reference From Tidal Dwarf Galaxies to Satellite Galaxies Bournaud F. & Duc P.-A. Astronomy and Astrophysics, in press ; astro-ph/0605350

Contact Frederic Bournaud (Observatoire de Paris, LERMA/CNRS)

Figure 2 : Spatial distribution of tidal dwarf galaxies in numerical simulations, compared to the observed distribution of dwarf satellites around their massive hosts (results from the SDSS, Yang et al. 2006). Both distributions are anisotropic : simulated tidal dwarf galaxies, like observed dwarfs, tend to concentrate at low inclinations towards the equatorial plane of their host galaxy. Lastly, this work proves that dwarf galaxies of tidal origin, formed a few billion years ago in collisions of massive galaxies, certainly exist. Their observational quest is now an important goal, for their internal dark matter content is also a fundamental test - only young, still forming, tidal dwarfs have been observed sofar. Whether old tidal dwarfs contain dark matter or not will help refining cosmological scenarios. See also : CEA Press release, and CNRS Press release.

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Reference From Tidal Dwarf Galaxies to Satellite Galaxies Bournaud F. & Duc P.-A. Astronomy and Astrophysics, in press ; astro-ph/0605350

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Lastly, this work proves that dwarf galaxies of tidal origin, formed a few billion years ago in collisions of massive galaxies, certainly exist. Their observational quest is now an important goal, for their internal dark matter content is also a fundamental test - only young, still forming, tidal dwarfs have been observed sofar. Whether old tidal dwarfs contain dark matter or not will help refining cosmological scenarios. See also : CEA Press release, and CNRS Press release.

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Dernière modification le 4 mars 2013