Formation et évolution des galaxies - Galaxy formation and evolution

L'étude de la formation et de l'évolution des galaxies s'intéresse aux processus qui ont formé un univers hétérogène à partir d'un début homogène, à la formation des premières galaxies, à la façon dont les galaxies changent au fil du temps et aux processus qui ont généré la variété de structures observées dans les galaxies proches. . La formation des galaxies est supposée se produire à partir des théories de la formation des structures , à la suite de minuscules fluctuations quantiques à la suite du Big Bang . Le modèle le plus simple en accord général avec les phénomènes observés est le modèle Lambda-CDM, c'est -à- dire que le regroupement et la fusion permettent aux galaxies d'accumuler de la masse, déterminant à la fois leur forme et leur structure.

Propriétés couramment observées des galaxies

Diagramme de diapason de Hubble de la morphologie des galaxies

En raison de l'incapacité de mener des expériences dans l'espace extra-atmosphérique, la seule façon de « tester » les théories et les modèles d'évolution des galaxies est de les comparer avec des observations. Les explications sur la formation et l'évolution des galaxies doivent pouvoir prédire les propriétés et les types de galaxies observés.

Edwin Hubble a créé le premier schéma de classification des galaxies connu sous le nom de diagramme à diapason de Hubble. Il a divisé les galaxies en elliptiques , spirales normales, spirales barrées (comme la Voie lactée ) et irrégulières . Ces types de galaxies présentent les propriétés suivantes qui peuvent être expliquées par les théories actuelles de l'évolution des galaxies :

  • De nombreuses propriétés des galaxies (y compris le diagramme couleur-amplitude des galaxies ) indiquent qu'il existe fondamentalement deux types de galaxies. Ces groupes se divisent en galaxies stellaires bleues qui ressemblent davantage à des types spirales, et en galaxies rouges non stellaires qui ressemblent davantage à des galaxies elliptiques.
  • Les galaxies spirales sont assez minces, denses et tournent relativement vite, tandis que les étoiles des galaxies elliptiques ont des orbites orientées au hasard.
  • La majorité des galaxies géantes contiennent un trou noir supermassif en leur centre, dont la masse varie de millions à des milliards de fois la masse de notre Soleil . La masse du trou noir est liée au renflement de la galaxie hôte ou à la masse sphéroïde.
  • La métallicité a une corrélation positive avec la magnitude absolue (luminosité) d'une galaxie.

Il existe une idée fausse commune selon laquelle Hubble croyait à tort que le diagramme du diapason décrivait une séquence évolutive pour les galaxies, des galaxies elliptiques aux galaxies lenticulaires en passant par les galaxies spirales. Ce n'est pas le cas; au lieu de cela, le diagramme de diapason montre une évolution du simple au complexe sans aucune connotation temporelle prévue. Les astronomes pensent maintenant que les galaxies à disques se sont probablement formées en premier, puis ont évolué en galaxies elliptiques grâce à des fusions de galaxies.

Les modèles actuels prédisent également que la majorité de la masse des galaxies est constituée de matière noire , une substance qui n'est pas directement observable et qui pourrait ne pas interagir par d'autres moyens que la gravité. Cette observation est due au fait que les galaxies n'auraient pas pu se former comme elles l'ont fait, ou tourner comme on les voit, à moins qu'elles ne contiennent beaucoup plus de masse que ce qui peut être observé directement.

Formation de galaxies à disques

La première étape de l'évolution des galaxies est la formation. Lorsqu'une galaxie se forme, elle a la forme d'un disque et est appelée galaxie spirale en raison des structures de "bras" en forme de spirale situées sur le disque. Il existe différentes théories sur la façon dont ces distributions d'étoiles en forme de disque se développent à partir d'un nuage de matière : cependant, à l'heure actuelle, aucune d'entre elles ne prédit exactement les résultats de l'observation.

Les théories descendantes

Olin Eggen , Donald Lynden-Bell et Allan Sandage en 1962, ont proposé une théorie selon laquelle les galaxies à disques se forment par un effondrement monolithique d'un grand nuage de gaz. La répartition de la matière dans l'univers primitif était en amas constitués principalement de matière noire. Ces amas interagissaient de manière gravitationnelle, appliquant des couples de marée les uns aux autres qui agissaient pour leur donner un certain moment angulaire. Au fur et à mesure que la matière baryonique se refroidissait, elle dissipait de l'énergie et se contractait vers le centre. Avec un moment cinétique conservé, la matière proche du centre accélère sa rotation. Puis, comme une boule de pâte à pizza en rotation, la matière forme un disque serré. Une fois le disque refroidi, le gaz n'est pas stable gravitationnellement, il ne peut donc pas rester un nuage homogène singulier. Il se brise et ces petits nuages ​​de gaz forment des étoiles. Comme la matière noire ne se dissipe pas car elle n'interagit que de manière gravitationnelle, elle reste distribuée à l'extérieur du disque dans ce que l'on appelle le halo sombre . Les observations montrent qu'il y a des étoiles situées à l'extérieur du disque, ce qui ne correspond pas tout à fait au modèle "pâte à pizza". Il a d'abord été proposé par Leonard Searle et Robert Zinn que les galaxies se forment par la coalescence d'ancêtres plus petits. Connue sous le nom de scénario de formation descendante, cette théorie est assez simple mais n'est plus largement acceptée.

Les théories ascendantes

Des théories plus récentes incluent le regroupement des halos de matière noire dans le processus ascendant. Au lieu que de gros nuages ​​de gaz s'effondrent pour former une galaxie dans laquelle le gaz se brise en nuages ​​plus petits, il est proposé que la matière ait commencé dans ces « petits » amas (masse de l'ordre des amas globulaires ), puis que plusieurs de ces amas ont fusionné. pour former des galaxies, qui ont ensuite été attirées par la gravitation pour former des amas de galaxies . Cela se traduit toujours par des distributions de matière baryonique en forme de disque avec de la matière noire formant le halo pour les mêmes raisons que dans la théorie descendante. Les modèles utilisant ce type de processus prédisent plus de petites galaxies que de grandes, ce qui correspond aux observations.

Les astronomes ne savent pas actuellement quel processus arrête la contraction. En fait, les théories sur la formation des galaxies à disques ne parviennent pas à produire la vitesse de rotation et la taille des galaxies à disques. Il a été suggéré que le rayonnement d'étoiles brillantes nouvellement formées ou d'un noyau galactique actif peut ralentir la contraction d'un disque en formation. Il a également été suggéré que le halo de matière noire peut attirer la galaxie, arrêtant ainsi la contraction du disque.

Le modèle Lambda-CDM est un modèle cosmologique qui explique la formation de l'univers après le Big Bang . C'est un modèle relativement simple qui prédit de nombreuses propriétés observées dans l'univers, notamment la fréquence relative des différents types de galaxies ; cependant, il sous-estime le nombre de galaxies à disques minces dans l'univers. La raison en est que ces modèles de formation de galaxies prédisent un grand nombre de fusions. Si des galaxies à disque fusionnent avec une autre galaxie de masse comparable (au moins 15 pour cent de sa masse), la fusion détruira probablement, ou au minimum perturbera grandement le disque, et la galaxie résultante ne devrait pas être une galaxie à disque (voir la section suivante ). Bien que cela reste un problème non résolu pour les astronomes, cela ne signifie pas nécessairement que le modèle Lambda-CDM est complètement faux, mais plutôt qu'il nécessite un raffinement supplémentaire pour reproduire avec précision la population de galaxies dans l'univers.

Fusions de galaxies et formation de galaxies elliptiques

Image d'artiste d'une tempête de feu de naissance d'étoiles au cœur d'une jeune galaxie elliptique en pleine croissance.
NGC 4676 ( Mice Galaxies ) est un exemple de fusion actuelle.
Les galaxies des antennes sont une paire de galaxies en collision – les nœuds bleus brillants sont de jeunes étoiles qui se sont récemment enflammées à la suite de la fusion.
ESO 325-G004 , une galaxie elliptique typique.

Les galaxies elliptiques (comme IC 1101 ) sont parmi les plus grandes connues à ce jour. Leurs étoiles sont sur des orbites orientées aléatoirement à l'intérieur de la galaxie (c'est-à-dire qu'elles ne tournent pas comme les galaxies à disques). Une caractéristique distinctive des galaxies elliptiques est que la vitesse des étoiles ne contribue pas nécessairement à l'aplatissement de la galaxie, comme dans les galaxies spirales. Les galaxies elliptiques ont des trous noirs supermassifs centraux , et les masses de ces trous noirs sont en corrélation avec la masse de la galaxie.

Les galaxies elliptiques ont deux étapes principales d'évolution. La première est due à la croissance du trou noir supermassif par accumulation de gaz de refroidissement. La deuxième étape est marquée par la stabilisation du trou noir en supprimant le refroidissement des gaz, laissant ainsi la galaxie elliptique dans un état stable. La masse du trou noir est également corrélée à une propriété appelée sigma qui est la dispersion des vitesses des étoiles sur leurs orbites. Cette relation, connue sous le nom de relation M-sigma , a été découverte en 2000. Les galaxies elliptiques manquent pour la plupart de disques, bien que certains renflements de galaxies à disques ressemblent à des galaxies elliptiques. Les galaxies elliptiques se trouvent plus probablement dans les régions surpeuplées de l'univers (telles que les amas de galaxies ).

Les astronomes considèrent désormais les galaxies elliptiques comme l'un des systèmes les plus évolués de l'univers. Il est largement admis que la principale force motrice de l'évolution des galaxies elliptiques est la fusion de galaxies plus petites. De nombreuses galaxies dans l'univers sont liées gravitationnellement à d'autres galaxies, ce qui signifie qu'elles n'échapperont jamais à leur attraction mutuelle. Si les galaxies sont de taille similaire, la galaxie résultante n'apparaîtra semblable à aucun des ancêtres, mais sera à la place elliptique. Il existe de nombreux types de fusions de galaxies, qui n'entraînent pas nécessairement des galaxies elliptiques, mais entraînent un changement structurel. Par exemple, on pense qu'un événement de fusion mineur se produit entre la Voie Lactée et les Nuages ​​de Magellan.

Les fusions entre ces grandes galaxies sont considérées comme violentes, et l'interaction frictionnelle du gaz entre les deux galaxies peut provoquer des ondes de choc gravitationnelles , capables de former de nouvelles étoiles dans la nouvelle galaxie elliptique. En séquençant plusieurs images de différentes collisions galactiques, on peut observer la chronologie de deux galaxies spirales fusionnant en une seule galaxie elliptique.

Dans le groupe local , la Voie lactée et la galaxie d'Andromède sont liées gravitationnellement et se rapprochent actuellement à grande vitesse. Les simulations montrent que la Voie lactée et Andromède sont sur une trajectoire de collision et devraient entrer en collision dans moins de cinq milliards d'années. Au cours de cette collision, on s'attend à ce que le Soleil et le reste du système solaire soient éjectés de sa trajectoire actuelle autour de la Voie lactée. Le reste pourrait être une galaxie elliptique géante.

Trempe Galaxie

La formation d'étoiles dans ce qui sont maintenant des galaxies « mortes » s'est effondrée il y a des milliards d'années.

Une observation (voir ci-dessus) qui doit être expliquée par une théorie réussie de l'évolution des galaxies est l'existence de deux populations différentes de galaxies sur le diagramme couleur-magnitude des galaxies. La plupart des galaxies ont tendance à tomber à deux endroits distincts sur ce diagramme : une "séquence rouge" et un "nuage bleu". Les galaxies à séquence rouge sont généralement des galaxies elliptiques ne formant pas d'étoiles avec peu de gaz et de poussière, tandis que les galaxies nuageuses bleues ont tendance à être des galaxies spirales poussiéreuses formant des étoiles.

Comme décrit dans les sections précédentes, les galaxies ont tendance à évoluer d'une structure spirale à une structure elliptique via des fusions. Cependant, le rythme actuel des fusions de galaxies n'explique pas comment toutes les galaxies passent du "nuage bleu" à la "séquence rouge". Cela n'explique pas non plus comment la formation d'étoiles cesse dans les galaxies. Les théories de l'évolution des galaxies doivent donc pouvoir expliquer comment la formation des étoiles s'arrête dans les galaxies. Ce phénomène est appelé « extinction » galactique.

Les étoiles se forment à partir de gaz froid (voir aussi la loi de Kennicutt-Schmidt ), de sorte qu'une galaxie est éteinte lorsqu'elle n'a plus de gaz froid. Cependant, on pense que l'extinction se produit relativement rapidement (en l'espace d'un milliard d'années), ce qui est beaucoup plus court que le temps qu'il faudrait à une galaxie pour simplement épuiser son réservoir de gaz froid. Les modèles d'évolution des galaxies expliquent cela en émettant l'hypothèse d'autres mécanismes physiques qui suppriment ou coupent l'approvisionnement en gaz froid dans une galaxie. Ces mécanismes peuvent être classés en deux catégories : (1) les mécanismes de rétroaction préventive qui empêchent le gaz froid d'entrer dans une galaxie ou l'empêchent de produire des étoiles, et (2) les mécanismes de rétroaction éjective qui éliminent le gaz afin qu'il ne puisse pas former d'étoiles.

Un mécanisme préventif théorisé appelé « étranglement » empêche le gaz froid de pénétrer dans la galaxie. L'étranglement est probablement le principal mécanisme d'extinction de la formation d'étoiles dans les galaxies voisines de faible masse. L'explication physique exacte de l'étranglement est encore inconnue, mais cela peut avoir à voir avec les interactions d'une galaxie avec d'autres galaxies. Lorsqu'une galaxie tombe dans un amas de galaxies, les interactions gravitationnelles avec d'autres galaxies peuvent l'étrangler en l'empêchant d'accréter plus de gaz. Pour les galaxies avec des halos massifs de matière noire , un autre mécanisme préventif appelé « chauffage par choc viral » peut également empêcher le gaz de devenir suffisamment froid pour former des étoiles.

Les processus éjectifs, qui expulsent le gaz froid des galaxies, peuvent expliquer comment les galaxies plus massives sont éteintes. L'un des mécanismes d'éjection est causé par les trous noirs supermassifs trouvés au centre des galaxies. Des simulations ont montré que l'accumulation de gaz sur les trous noirs supermassifs dans les centres galactiques produit des jets à haute énergie ; l'énergie libérée peut expulser suffisamment de gaz froid pour éteindre la formation d'étoiles.

Notre propre Voie lactée et la galaxie d'Andromède voisine semblent actuellement subir la transition d'extinction des galaxies bleues en formation d'étoiles aux galaxies rouges passives.

Galerie

Voir également

Lectures complémentaires

  • Mo, Houjun ; van den Bosch, Frank; White, Simon (juin 2010), Galaxy Formation and Evolution (1 éd.), Cambridge University Press , ISBN 978-0521857932

Les références

Liens externes