La danse cosmique des galaxies distantes
1er mars 2006
Comment se forment et évoluent les galaxies pour former les grandes galaxies spirales observées aujourd’hui ? Pour essayer de résoudre cette énigme, une équipe internationale(1) dirigée par des chercheurs de l’Observatoire de Paris (GEPI), vient d’observer plus d’une trentaine de galaxies très éloignées avec le VLT de l’ESO équipé du spectrographe FLAMES/GIRAFFE. Ces observations ont révélé deux grandes surprises. D’une part beaucoup de ces galaxies ont des mouvements internes désordonnés, suggérant que les mécanismes de fusion ou d’interaction étaient beaucoup plus importants à cette époque que ce que l’on croyait auparavant. D’autre part, les observations indiquent que le rapport de masse entre la matière noire et la matière visible reste inchangé depuis les 6 derniers milliards d’années. Ces résultats importants font l’objet de trois publications dans la revue Astronomy and Astrophysics.
Notre Galaxie et sa voisine Andromède sont des galaxies spirales : elles sont constituées d’un bulbe au centre et d’un disque doté de bras en forme de spirale où les étoiles les plus jeunes se concentrent. C’est en étudiant le mouvement de rotation de ces disques que les astrophysiciens découvrirent dans les années 1930 que les galaxies spirales contiennent beaucoup plus de matière que ce que l’on peut observer à partir de la lumière qu’elles émettent : aujourd’hui nous savons que 80% de la masse est composée de cette matière invisible, appelée « matière noire », et dont la nature même reste encore très mystérieuse. Ces galaxies spirales représentent environ deux tiers des galaxies actuelles : c’est dire si la compréhension de leur origine est aujourd’hui une des questions centrales de l’astronomie. Pour tenter de mieux comprendre comment ces galaxies spirales se sont formées, une équipe internationale d’astronomes s’est intéressée à un échantillon de 32 galaxies très éloignées, tellement éloignées qu’elles ont émis leur lumière alors que notre propre Soleil n’était même pas encore né... Ces galaxies nous renseignent donc sur le passé des galaxies actuelles, et celui-ci s’est révélé être particulièrement agité !
distgal-f1.jpg Figure 1 : Exemples de galaxies observées avec GIRAFFE. De gauche à droite : image optique de la galaxie observée par le télescope spatial Hubble (HST). La taille de l’image correspond au champ couvert par l’IFU GIRAFFE ; champ de vitesse déduit des observations GIRAFFE (le côté rouge s’éloigne de l’observateur alors que le côté bleu s’approche) ; carte de densité électronique déduite des observations GIRAFFE. De haut en bas : CFRS03.9003 : cette galaxie est un disque en rotation. Elle présente une région HII géante (à gauche sur l’image HST) où la densité électronique est particulièrement élevée et similaire à celle que l’on peut trouver dans les régions externes de nébuleuses locales, comme la nébuleuse d’Orion. Cette région est probablement le lieu où se produit l’essentiel de la formation stellaire dans cette galaxie (environ 100 masses solaires par an) ; CFRS03.0508 : le champ de vitesse présente une structure perpendiculaire à l’axe optique principal de la galaxie, ce qui suggère une éjection de gaz dans cette direction («  outflow  »). La carte de densité électronique soutient cette hypothèse : les chocs se produisant entre la matière éjectée et la milieu interstellaire pourrait expliquer la plus forte concentration d’électrons le long de la direction supposée de l’éjection ; CFRS22.0919 : cet objet présente un champ de vitesses complexe qui montre que cette galaxie n’est pas dans un état d’équilibre, et est probablament en train de subir une interaction avec une autre galaxie.
Grâce à l’instrument FLAMES/GIRAFFE, installé au foyer d’un des télescopes de VLT de l’ESO, et à son mode multi-intégral de champ unique au monde(2), cette équipe d’astronomes a pu déterminer avec précision les mouvements internes dans ces galaxies distantes et étudier comment la relation entre la matière ordinaire, sous forme d’étoiles, et la matière noire évoluait dans le passé. Cette étude a permis de révéler de manière très surprenante, qu’environ 40% des galaxies ont des mouvements internes très perturbés, ce qui signifie que ces galaxies n’ont pas atteint un état d’équilibre comme celui observé dans les galaxies spirales locales. La raison de cet état est que ces galaxies sont très probablement en train de subir une importante fusion avec une autre galaxie. Or auparavant, on ne pensait pas que ces fusions jouaient un rôle si important dans l’évolution des galaxies. Concernant l’énigmatique matière noire, ces astronomes ont découvert que dans les galaxies ayant atteint un état d’équilibre (les seules pour lesquels il est possible de mesurer leur masse), la fraction de matière noire semble identique à celle observée dans les galaxies actuelles. Ce résultat renforce le lien entre les matières ordinaire et noire et entretient le mystère sur cette masse «  sombre  », sans laquelle les galaxies spirales ne pourraient tout simplement pas exister !
distgal-f2.jpg Figure 2 : Comparaison entre la masse stellaire (matière sous forme d’étoiles) et une estimation de la masse totale du halo (incluant la matière noire) déduite des observations GIRAFFE, à z 0.6. Les points bleus représentent les disques en rotations, les carrés verts les rotations perturbées et les triangles rouges, les galaxies ayant une cinématique complexe (systèmes hors équilibre). La ligne noire représente la relation déduite d’observations locales. En ne considérant que les galaxies à l’équilibre (points bleus), les observations GIRAFFE permettent de montrer que le rapport entre la masse stellaire et la masse totale n’a pas évolué lors des 6 derniers milliards d’années. Cliquer sur l’image pour l’agrandir
Avec FLAMES/GIRAFFE, cette équipe a également pu cartographier pour la première fois la densité électronique dans des galaxies aussi distantes. Des éjections de matière et de grandes régions d’hydrogène ionisé très chaud, avec des formations très importantes d’étoiles, ont ainsi pu être détectées : d’autres preuves du passé agité des galaxies. L’étude des mouvements internes de la matière interstellaire et de ses propriétés est très importante pour comprendre la formation et l’évolution des galaxies. Cette méthode préfigure probablement ce que sera la science avec les futurs très grands télescopes de la classe des 40 mètres (Extremely Large Telescopes). (1) Cette équipe comprend : F. Hammer, H. Flores, M. Puech, C. Balkowski du Laboratoire Galaxies Etoiles Physique et Instrumentation (UMR CNRS, Observatoire de Paris, Université de Paris VII) ; P. Amram du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (UMR CNRS, Université de Provence) ; G. Östlin du Stockholm Observatory ; T. Marquart du Dept of Astronomy and Space Physics, Suède ; M. D. Lehnert du Max-Planck-Institut fur extraterrestrische Physik de Munich. (2) FLAMES/GIRAFFE est un spectrographe multi-fibres. Son mode multi-intégrale de champ (IFU), permet d’observer simultanément 15 galaxies lointaines. Le principe consiste à découper un objet étendu (une galaxie) en une série de pixels et à en réaliser autant de spectres. 15 systèmes de fibres (IFU), constitués chacun de 20 microlentilles reliées à 20 fibres optiques, sont positionnés sur le ciel sur les 15 galaxies à étudier. Press Release du CNRS En savoir plus sur Giraffe ----
Références H. Flores, F. Hammer, M. Puech and P. Amram : 2006, 3D spectroscopy with VLT/GIRAFFE. I. The true Tully-Fisher relationship at z 0.6, A&A, in press M. Puech, F. Hammer, H. Flores, G. Ostlin, T. Marquart : 2006, Are luminous compact galaxies merger remnants ? FLAMES/GIRAFFE Paris Observatory GTO - II, A&A, in press M. Puech, H. Flores, F. Hammer, M.D.Lehnert : 2006, 3D spectroscopy with VLT/GIRAFFE. III. Mapping electron densities in distant galaxies, A&A, in press Contacts Mathieu Puech, (Observatoire de Paris-Meudon, GEPI)
Grâce à l’instrument FLAMES/GIRAFFE, installé au foyer d’un des télescopes de VLT de l’ESO, et à son mode multi-intégral de champ unique au monde(2), cette équipe d’astronomes a pu déterminer avec précision les mouvements internes dans ces galaxies distantes et étudier comment la relation entre la matière ordinaire, sous forme d’étoiles, et la matière noire évoluait dans le passé. Cette étude a permis de révéler de manière très surprenante, qu’environ 40% des galaxies ont des mouvements internes très perturbés, ce qui signifie que ces galaxies n’ont pas atteint un état d’équilibre comme celui observé dans les galaxies spirales locales. La raison de cet état est que ces galaxies sont très probablement en train de subir une importante fusion avec une autre galaxie. Or auparavant, on ne pensait pas que ces fusions jouaient un rôle si important dans l’évolution des galaxies. Concernant l’énigmatique matière noire, ces astronomes ont découvert que dans les galaxies ayant atteint un état d’équilibre (les seules pour lesquels il est possible de mesurer leur masse), la fraction de matière noire semble identique à celle observée dans les galaxies actuelles. Ce résultat renforce le lien entre les matières ordinaire et noire et entretient le mystère sur cette masse « sombre », sans laquelle les galaxies spirales ne pourraient tout simplement pas exister ! Avec FLAMES/GIRAFFE, cette équipe a également pu cartographier pour la première fois la densité électronique dans des galaxies aussi distantes. Des éjections de matière et de grandes régions d’hydrogène ionisé très chaud, avec des formations très importantes d’étoiles, ont ainsi pu être détectées : d’autres preuves du passé agité des galaxies. L’étude des mouvements internes de la matière interstellaire et de ses propriétés est très importante pour comprendre la formation et l’évolution des galaxies. Cette méthode préfigure probablement ce que sera la science avec les futurs très grands télescopes de la classe des 40 mètres (Extremely Large Telescopes). (1) Cette équipe comprend : F. Hammer, H. Flores, M. Puech, C. Balkowski du Laboratoire Galaxies Etoiles Physique et Instrumentation (UMR CNRS, Observatoire de Paris, Université de Paris VII) ; P. Amram du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (UMR CNRS, Université de Provence) ; G. Östlin du Stockholm Observatory ; T. Marquart du Dept of Astronomy and Space Physics, Suède ; M. D. Lehnert du Max-Planck-Institut fur extraterrestrische Physik de Munich. (2) FLAMES/GIRAFFE est un spectrographe multi-fibres. Son mode multi-intégrale de champ (IFU), permet d’observer simultanément 15 galaxies lointaines. Le principe consiste à découper un objet étendu (une galaxie) en une série de pixels et à en réaliser autant de spectres. 15 systèmes de fibres (IFU), constitués chacun de 20 microlentilles reliées à 20 fibres optiques, sont positionnés sur le ciel sur les 15 galaxies à étudier. Press Release du CNRS En savoir plus sur Giraffe ----
Références H. Flores, F. Hammer, M. Puech and P. Amram : 2006, 3D spectroscopy with VLT/GIRAFFE. I. The true Tully-Fisher relationship at z 0.6, A&A, in press M. Puech, F. Hammer, H. Flores, G. Ostlin, T. Marquart : 2006, Are luminous compact galaxies merger remnants ? FLAMES/GIRAFFE Paris Observatory GTO - II, A&A, in press M. Puech, H. Flores, F. Hammer, M.D.Lehnert : 2006, 3D spectroscopy with VLT/GIRAFFE. III. Mapping electron densities in distant galaxies, A&A, in press Contacts Mathieu Puech, (Observatoire de Paris-Meudon, GEPI)
Dernière modification le 22 février 2013