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Archives pour septembre 2016

Du nouveau sur la formation des galaxies géantes

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Dans un article qui vient d’être publié dans « Astronomy and Astrophysics », une équipe internationale impliquant des chercheurs du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (CNRS/Université Aix-Marseille) étudient Malin 1, une galaxie proche connue seulement depuis les années 80 et exhibant un très grand disque de gaz et d’étoiles. Les observations de Malin 1, un parfait prototype des « galaxies géantes à faible brillance de surface », ont permis aux scientifiques de réaliser une découverte inattendue qui remet en cause une des hypothèses sur les processus de formation des galaxies de ce type.

En raison de leur aspect diffus et de leur très faible brillance, ces galaxies pourtant massives sont difficiles à observer et restent méconnues aujourd’hui. Elles pourraient constituer une fraction importante des galaxies dans l’univers, d’autant que des objets semblables à Malin 1 pourraient avoir échappé à notre vigilance. Il est donc indispensable de les étudier et de comprendre leur formation et leur évolution. Cela devient maintenant possible grâce aux télescopes et détecteurs modernes, plus sensibles aux faibles brillances de surface.

Cet article présente pour la première fois des images de Malin 1 obtenues à six longueurs d’onde différentes (allant de l’ultraviolet grâce au projet GUViCS 1 à l’optique et l’infra-rouge proche grâce au projet NGVS mené avec la caméra MegaCam du Canada France Hawaï Telescope, CFHT). A l’origine planifié pour étudier l’amas de la Vierge, ces grandes campagnes d’observations nous permettent aussi de travailler sur d’autres objets situés en arrière-plan de cet amas, comme c’est le cas dans cette étude.

Combinaison des 4 images NGVS de Malin 1, obtenues avec la caméra MegaCam sur le télescope CFHT
Une indication de l’échelle est donnée dans la figure pour montrer la taille incroyable du disque de la Galaxie (Le diamètre de notre Galaxie est plutôt de 30 kpc).
Crédit : Boissier/A&A/ESO

Ces images nous offrent une nouvelle vue de Malin 1, le plus grand disque galactique connu dans l’univers. Son diamètre dépasse 250 kilo-parsec (en comparaison, celui de notre Galaxie est « seulement » d’une trentaine de kilo-parsec). Les chercheurs ont extrait de ces données la variation de la luminosité avec la distance au centre de la galaxie, ainsi que la variation des « couleurs » de la galaxie (c’est à dire des rapports de luminosité aux différentes longueurs d’ondes). Celles-ci dépendent fortement de l’histoire de la galaxie. La comparaison de ces résultats observationnels aux prédictions de différents modèles numériques a donc permis à l’équipe d’estimer pour la première fois quelle à du être l’histoire de la formation stellaire. Elle suggère que le disque géant de Malin 1 est en place depuis plusieurs milliards d’années, et que des étoiles s’y forment à un rythme modeste mais régulier sur le long-terme.

La courbe avec les barres d’erreur montre la variation avec le rayon de la couleur entre les 2 bandes de GALEX (FUV et NUV). Cette différence est sensible aux populations stellaires jeunes. La courbe bleue et rouge montre le modèle utilisé dans l’article : il est en accord avec ces observations. Au contraire, la ligne orange montre la couleur d’étoiles qui se seraient formées lors d’une interaction il y a 1.4 milliards d’années, ou bien d’une formation d’étoile qui se serait déplacée du centre vers l’extérieur depuis cette période (étoiles). Ces scénarios sont clairement contredit par les nouvelles observations.
Crédit : Adapted from Boissier et al.

Ce résultat est important et surprenant, car il contredit un scénario proposé il y a quelques années, selon lequel ces galaxies géantes sont formées lors d’interactions violentes. Il semble à présent exclu par les nouvelles données. Dans le contexte cosmologique de la formation des galaxies, on s’attend à de nombreuses interactions et fusions qui devraient perturber le disque de Malin 1. La formation d’une telle structure, et de sa survie dans ce contexte, offre donc un nouveau défi pour les simulations cosmologiques de formation des galaxies.

Variation avec le rayon de la densité de surface d’étoiles et de gaz déduite d’observations (noir) et du modèle présenté dans l’article (rouge).
Crédit : Boissier/A&A/ESO
La courbe rouge montre l’histoire du taux de formation stellaire (SFR) dans le disque géant de Malin 1 d’après le modèle discuté dans l’article qui reproduit correctement les densités de surface d’étoiles et les couleurs de la galaxie. Cette histoire suggère une formation étalée sur plusieurs milliards d’années. (La barre d’erreur indique une estimation du taux de formation stellaire actuel, estimé dans une étude plus ancienne).
Crédit : Adapted from Boissier et al.

Que va-t-il advenir de Malin 1 ? Le disque géant contenant une grande fraction de gaz, la formation d’étoiles va probablement continuer à se produire à un rythme modeste pendant des milliards d’années, lui permettant d’accroire encore sa masse d’étoiles. A moins que d’ici là, une autre galaxie ne vienne perturber la géante, et pourquoi pas fusionner avec elle pour totalement changer sa destinée. Les galaxies candidates sont cependant peu nombreuses car Malin 1 réside dans un recoin relativement isolé de notre univers proche.

1. A propos des projets qui ont permis ce travail : NGVS et GUViCS sont deux grands projets qui ont obtenu des observations profondes de l’ensemble de l’amas de la vierge (plus de 100 degrés carrés) respectivement en visible/infrarouge (au CFHT) et en ultraviolet (avec le télescope GALEX). Ces projets avaient pour but de scruter les centaines de galaxies de l’amas, et d’étudier les phénomènes liés à cette structure. Ils permettent cependant beaucoup d’autres études, par exemple des galaxies en arrière-plan. C’est le cas de Malin 1 qui se trouve dans cette direction du ciel, mais à 366 Mega-parsec de nous, alors que l’amas de la Vierge est à 17 mega-parsec.

Le laboratoire d’astrophysique de marseille et la mission rosetta

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  • Le LAM et les comètes, une longue histoire

Le LAM a participé très activement à la mission Rosetta notamment par la fourniture de la caméra à haute résolution OSIRIS-NAC, mais Marseille et les comètes c’est une longue histoire. Dès le 19e siècle, les astronomes marseillais s’illustrent dans l’étude de ces objets. Citons Pons (37 comètes découvertes, record mondial, dont 23 à Marseille), Gambart (12 comètes), Tempel (17 comètes), Coggia (6 comètes), Stéphan (5 comètes) et Borrelly (13 comètes), la ville détenant à ce jour le record mondial du nombre de comètes détectées visuellement. Et consécration, en 1913 l’Union Astronomique Internationale choisit Marseille comme centre international des « petites planètes ». Plus récemment, le LAM a participé à la première mission spatiale « GIOTTO » de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) qui rencontra la comète Halley en 1986. Ces vingt dernières années, le coronographe LASCO-C2 conçu et réalisé par le LAM et embarqué sur l’observatoire solaire SOHO de l’ESA a découvert plus de trois mille comètes dites rasantes qui frôlent le Soleil. Grâce à une technique originale mise au point par P. Lamy, chercheur CNRS au LAM, de nombreux noyaux cométaires ont été détectés et caractérisés à l’aide des grands télescopes spatiaux, Hubble et Spitzer, dont celui de la comète 67P/ Churyumov-Gerasimenko familièrement baptisée « Tchouri », la cible de la mission Rosetta, fournissant ainsi les caractéristiques physiques et un premier modèle du noyau, informations indispensables au succès de cette mission.

 

  • La caméra OSIRIS-NAC : les yeux aiguisés de la sonde Rosetta

Dès la sélection de la mission Rosetta par l’ESA, le LAM a étudié en parallèle trois instruments, la caméra OSIRIS-NAC – sa réalisation phare – ainsi que l’ensemble de caméras panoramiques CIVA (destiné au module PHILAE) et le détecteur de poussières GIADA et s’est rapproché de plusieurs laboratoires internationaux en vue de former les équipes instrumentales. OSIRIS-NAC, l’imageur à haute résolution de Rosetta, met en œuvre des concepts optiques et mécaniques innovants qui se sont concrétisés par une réalisation en partenariat avec la société ASTRIUM et plusieurs laboratoires européens. Lors de la phase de croisière de la mission, la caméra OSIRIS-NAC a fourni des dizaines d’images des astéroïdes Steins et Lutétia. En février 2014, elle prenait les premières images de « Tchoury » et révélait sa forme étrange dite bilobée. Depuis et jusqu’à la fin de la mission le 30 septembre 2016, c’est plus de mille images qui ont été obtenues révélant l’incroyable complexité de la surface du noyau et des processus qui la sculpte.

Le LAM a participé à la sélection du site d’atterrissage du module Philae en fournissant des modèles 3D de la surface de la comète reconstruits à partir des images obtenues par la caméra OSIRIS-NAC. Ces modèles ont joué un rôle important en permettant d’identifier les fortes pentes risquant de déstabiliser Philae lors de son atterrissage. Plusieurs modèles 3D ont ensuite été calculés, permettant de déterminer pour la première fois de manière très précise la densité d’une comète, égale à environ la moitié de la densité de la glace d’eau. Cette densité très faible implique une porosité extrêmement élevée puisqu’environ les trois quarts du volume du noyau seraient en fait constitué de vide.

L’observation d’une comète de façon quasi continue pendant plus de 2 ans, de août 2014 à septembre 2016, suivant sa course dans le système solaire et son passage au plus près du soleil en août 2015 à moins de 200 millions de km, est un des grands succès de Rosetta. Ces observations sans précédent ont permis de détecter de nombreuses morphologies à la surface du noyau, diverses et variées, depuis des terrains lisses et plats jusqu’à des falaises « rocheuses » et escarpées, en passant par de larges zones d’éboulis ou d’autres couvertes de structures polygonales. Les images montrent que ces terrains évoluent et s’érodent par endroit au cours du temps, sous l’influence du rayonnement solaire, des fortes variations de température diurnes et saisonnières, et de l’activité (c.-à-d. dégazage) de la comète, façonnant un paysage aux apparences ruiniformes. Ces découvertes interrogent les scientifiques sur les processus qui ont formé la comète il y a 4,5 milliards d’années et sur son évolution depuis, plusieurs scénarios étant débattus.

 

  • La quête de Philae

Si le 11 novembre 2014 PHILAE a bien touché la surface du noyau à quelques mètres de l’endroit prévu, la défaillance d’un système mécanique l’a conduit à rebondir plusieurs fois et à finalement se poser en un point inconnu, loin du site initial. S’en est suivi une longue recherche qui a mobilisé les différentes équipes et agences impliquées. La tâche était d’autant plus ardue que vu sa taille, PHILAE ne pouvait apparaitre que comme un minuscule point brillant sur les images OSIRIS-NAC. C’était donc rechercher une aiguille dans une botte de foin ! C’est finalement l’équipe du LAM associée à celles du CNES et de l’IRAP (Toulouse) qui a détecté le bon point brillant parmi des dizaines d’autres au début de l’année 2015, son absence sur des images similaires obtenues avant l’atterrissage de PHILAE fournissant un critère irréfutable. Le 25 mai 2016, Rosetta s’étant suffisamment rapprochée du noyau, les images OSIRIS-NAC ont permis de reconnaitre PHILAE et de confirmer sans ambiguïté possible le site trouvé par l’équipe du LAM un an et demi auparavant.