Les grandes galaxies spirales plus jeunes que prévu

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Aujourd’hui, la plupart des grandes galaxies sont des galaxies spirales : au centre, le bulbe de symétrie elliptique est entouré d’un disque, doté de bras où les jeunes étoiles se concentrent. Notre galaxie, la Voie Lactée, ainsi que sa voisine la plus proche, Andromède, sont des galaxies spirales. Quand et comment ces galaxies se sont-elles formées ? C’est ce qu’une équipe d’astronomes de l’Observatoire de Paris (1), en collaboration avec des chercheurs du CEA (2) et de l’ESO (3), ont déterminé en travaillant sur des galaxies qui émettent la plus grande partie de leur rayonnement dans l’infrarouge. Le rayonnement infrarouge des galaxies est produit par les naissances stellaires. Les étoiles se forment dans des régions nommées nuages moléculaires, contenant beaucoup de poussières, lesquelles absorbent le rayonnement visible et ultra-violet émis par les jeunes étoiles et le restituent dans le domaine infrarouge. Les galaxies infrarouges sont donc celles où naissent de grandes quantités d’étoiles. Lors de ces épisodes, une petite partie du rayonnement visible traverse néanmoins les poussières. Mais jusque dans les années 1990, les observations du seul rayonnement visible n’avaient pas suffi à distinguer les galaxies infrarouges des autres galaxies, masquant la forte natalité stellaire qui les caractérise. Depuis quelques années, François Hammer et ses colllègues (1) ont utilisé le satellite Infrared Space Observatory pour observer les galaxies de l’Univers lointain dans l’infrarouge, ainsi que le télescope spatial Hubble et le Very Large Telescope, installé au Chili pour les observations dans le visible. Ils ont étudié 200 galaxies, situées à une distance de 4 à 8 milliards d’années lumière de la Terre. Ils ont ainsi assisté au déroulement de leur vie alors que l’Univers était beaucoup plus jeune qu’aujourd’hui (en vertu du principe selon lequel regarder loin dans l’Univers, c’est regarder loin dans le passé). Ces recherches ont abouti à trois résultats majeurs. Les galaxies infrarouges représentent 15 pour cent des galaxies de l’Univers lointain, contre 0.5 pour cent seulement dans l’Univers local (à moins d’un milliard d’années de nous). Il y a 4 à 8 milliard d’années, les galaxies ont donc connu des épisodes de formation stellaire intenses. Plus précisément, la moitié des étoiles actuelles s’est formée durant les 8 derniers milliards d’années, principalement dans les galaxies infrarouges. Enfin, il y a 4 à 8 milliards d’années, les galaxies étaient nettement moins abondantes en oxygène, ce qui confirme le résultat précédent. En effet, à l’échelle de temps considérée, la formation d’étoiles se confond à l’apparition d’éléments lourds comme l’oxygène : les étoiles, une fois formées, explosent rapidement en supernovae, dispersant des éléments lourds autour d’elles.

Figure 1

Quelle est la cause des épisodes de formation stellaire intenses ? Dans les galaxies comme la nôtre, les bras sont des ondes de compression qui se propagent dans le disque. Sur le passage de ces ondes, le gaz interstellaire est déstabilisé et des régions denses se forment au sein desquelles la matière s’effondre pour former des étoiles. Dans la Voie lactée, ce mécanisme conduit à une natalité stellaire d’environ une masse solaire par an. Or, cette valeur est 50 fois inférieure à celle que les astrophysiciens ont trouvé il y a 4 à 8 milliards d’années. Dans ces galaxies, un mécanisme plus efficace est donc à l’oeuvre : il s’agit de l’interaction gravitationnelle, qui provoque la rencontre et la fusion des galaxies. Le gaz interstellaire est alors fortement comprimé dans certaines régions, ce qui déclenche des bouffées de formation stellaire. Les morphologies des galaxies infrarouges de l’Univers lointain, beaucoup plus perturbées que les spirales régulières de l’Univers local, témoignent des fusions en cours. Cette histoire révélée par les nombreuses galaxies infrarouges est en accord avec le scénario de formation hiérarchique des galaxies, établi par les cosmologistes il y a une vingtaine d’année. Selon ce scénario, de petites galaxies s’assemblent pour en former de plus grandes, au cours de fusions successives. Mais on pensait que ces fusions avaient pratiquement cessé il y a 8 milliards d’années. Les astrophysiciens viennent de montrer que ce n’est pas le cas. Durant les 4 milliards d’années suivants, les galaxies ont continué de fusionner pour donner les grandes galaxies spirales, telles que nous les connaissons aujourd’hui. (1) Laboratoire GEPI : Galaxies, étoiles, physique et instrumentation (CNRS/Université Paris VII/ Observatoire de Paris). (2) CEA : Commissariat à l’énergie atomique (3) ESO : European southern observatory

Reférence Did most present-day spirals form during the last 8 Gyrs ? A formation history with violent episodes revealed by panchromatic observations. Hammer, F., Flores, H., Elbaz, D., Zheng, X.Z., Liang, Y.C., Cesarsky, C., Astronomy and Astrophysics, publication online du 13 janvier

Contact Francois Hammer (Observatoire de Paris, GEPI) Communiqué écrit en collaboration avec le CNRS : Claire Le Poulennec (CNRS-Presse) Philippe Chauvin (INSU-CNRS)

Dernière modification le 22 février 2013