Résultat scientifique

Un groupe de chercheurs et d’ingénieurs informaticiens du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM / CNRS – Université d’Aix Marseille) a effectué des simulations 1 spécifiques utilisant des ordinateurs nationaux de type « supercalculateurs » pour étudier le résultat d’une fusion de deux galaxies à disque de masses environ égales et situées à des redshifts intermédiaires – entre z 1.5 et 0.5). Les résultats particulièrement intéressants de cette étude ouvrent une toute nouvelle perspective pour la formation des disques galactiques.

La formation des galaxies comme notre Voie Lactée compte parmi les plus grandes questions auxquelles les astronomes tentent de répondre. Le processus est toutefois difficile à observer. En revanche, des simulations utilisant des super-ordinateurs nationaux permettent aux scientifiques de comprendre les processus mis en jeu dans la formation des galaxies. Une équipe du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille travaille sur ces modélisations. Une de leurs thématiques de recherche consiste à mettre en évidence le fruit de collisions de galaxies aux caractéristiques très spécifiques. Ils ont ainsi simulé la collision de deux galaxies à disque de masses environ égales et situées à des redshifts intermédiaires (entre z 1.5 et 0.5). Les deux galaxies avant collision représentent au mieux des galaxies situées à ces redshifts, étant plus petites et plus riches en gaz que les galaxies qui sont proches de nous. Point important, leurs halos sont constitués tant de matière noire que de gaz chaud.

L’évolution au cours de la fusion est la suivante :

• Lors de la collision, les disques de ces galaxies sont détruits et leurs étoiles, subissant une relaxation violente, forment un bulbe classique, qui sera le centre de la nouvelle galaxie.
• La majorité des étoiles se formant vers la fin de la période de collision ou juste après forment un disque épais.
• Ensuite, un nouveau disque, mince et froid, commence à se former principalement par accrétion du gaz initialement dans le halo.

Ainsi une nouvelle galaxie se forme, et les simulations obtenues par cette équipe montrent que les étoiles les plus vieilles doivent se trouver dans le bulbe classique, suivies par les étoiles du disque épais et enfin par les étoiles du disque mince. Les étoiles les plus jeunes se trouvent dans les bras spiraux, et au centre dans un second bulbe (non classique), en forme de disque.

Grâce à ces simulations, les différentes étapes de l’évolution de la nouvelle galaxie, depuis sa formation lors de la fusion jusqu’au temps présent (z=0), ont pu être observées. La très haute résolution des simulations a non seulement permis des comparaisons détaillées des propriétés de ces galaxies simulées avec celles des galaxies observées, mais a de plus mis en évidence une parfaite adéquation avec ce que nous pouvons observer dans notre univers local ². En particulier, la distribution de la masse et la distribution des vitesses correspondent bien.

La morphologie des structures du disque est également en très bon accord avec les observations, montrant un disque épais en plus du disque mince, des spirales et des anneaux de la bonne taille et forme, et une barre avec des anses aux deux extrémités, et, vu de profil, un bulbe en forme de boite ou de cacahuète. Il est également à noter que les galaxies spirales ainsi formées peuvent avoir un bulbe classique avec une masse très faible, pouvant même être inférieure à 10% de la matière baryonique totale, ce qui est requis par exemple par les observations de notre Galaxie.

Lia Athanassoula, astronome au LAM et premier auteur de cette étude conclut : « Nos simulations démontrent que la fusion de deux galaxies spirales peut donner naissance à une nouvelle galaxie spirale. Ce résultat particulièrement intéressant met donc en évidence un scénario possible pour la formation des galaxies semblables à la nôtre. A partir de là nous allons pouvoir étudier les plus importantes propriétés des galaxies à disque. »

Les glaces enfouies à l’intérieur de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko se trouvent essentiellement sous forme cristalline, ce qui implique qu’elles seraient issues de la nébuleuse primitive, et donc du même âge que notre système solaire. Cette découverte a été obtenue par une équipe internationale pilotée par un chercheur du LAM 1 (CNRS/Aix Marseille Université) et comprenant également des chercheurs du laboratoire J.-L. Lagrange (OCA/CNRS/Université Nice Sophia Antipolis) et du Centre de recherches pétrographiques et géochimiques (CNRS/ Université de Lorraine), avec le soutien du CNES. Leurs résultats proviennent de l’analyse de données fournies par l’instrument Rosina 2, placé à bord de la sonde Rosetta de l’Agence spatiale européenne. Ces travaux ont été publiés le 8 mars 2016 dans The Astrophysical Journal Letters.

La mission Rosetta nous dévoile peu à peu les secrets des comètes et a permis de trancher une question vieille de plusieurs décennies : la nature de leurs glaces. Deux grandes hypothèses s’affrontaient jusqu’ici : celle d’une glace cristalline, où les molécules d’eau sont arrangées de manière périodique, et celles d’une glace amorphe, où les molécules d’eau sont désordonnées. Un problème rendu d’autant plus sensible par ses implications sur l’origine et la formation des comètes et du système solaire.

C’est l’instrument Rosina de la sonde Rosetta qui aura permis de répondre à cette question. Ce spectromètre de masse a d’abord mesuré, en octobre 2014, les abondances du diazote (N2), du monoxyde de carbone (CO) et de l’argon (Ar) dans la glace de Tchouri. Ces données ont été comparées à celles obtenues en laboratoire dans des expériences sur de la glace amorphe, ainsi qu’à celles de modèles décrivant la composition d’hydrates de gaz, un type de glace cristalline où les molécules d’eau peuvent emprisonner des molécules de gaz. Les proportions de diazote et d’argon retrouvées sur Tchouri correspondent bien à celles du modèle des hydrates de gaz alors que la quantité d’argon déterminée sur « Tchouri » est cent fois inférieure à celle que la glace amorphe peut piéger. La glace de la comète possède donc bien une glace de structure cristalline.

Cette découverte est capitale car elle permet de dater la naissance des comètes. En effet, les hydrates de gaz sont des glaces cristallines qui se sont formées dans la nébuleuse primitive du système solaire, à partir de la cristallisation de grains de glace d’eau et de l’adsorption de molécules de gaz sur leurs surfaces au cours du lent refroidissement de la nébuleuse. Si les comètes sont composées de glace cristalline, cela signifie qu’elles se sont forcément formées en même temps que le système solaire, et non auparavant dans le milieu interstellaire. La structure cristalline des comètes prouve également que la nébuleuse primitive était suffisamment chaude et dense pour sublimer la glace amorphe qui provenait du milieu interstellaire. Les hydrates de gaz agglomérés par Tchouri ont dû se former entre -228 et -223 °C pour reproduire les abondances observées. Ces travaux confortent également les scénarios de formation des planètes géantes, ainsi que de leurs lunes, qui nécessitent l’agglomération de glaces cristallines.

Il y a plus de dix ans, la sonde Lunar CRater Observation and Sensing Satellite (LCROSS) de la NASA a délibérément généré un cratère à la surface de la Lune, jetant dans l’espace un nuage de glace et de vapeur d’eau, ainsi que d’autres substances volatiles, qui étaient probablement piégés dans son sous-sol depuis des milliards d’années. Une équipe de recherche internationale dans laquelle figurent deux chercheurs d’Aix-Marseille Université et du CNRS, a analysé la composition du nuage formé par LCROSS et vient de montrer que les substances volatiles observées seraient essentiellement d’origine cométaire, impliquant un apport volcanique marginal.

Cette nouvelle analyse des abondances élémentaires dans le nuage suggère que les comètes ont déposé ces volatils il y a environ entre 1 et 3.5 milliards d’années dans le passé. Cela ajoute une autre pièce au puzzle de l’histoire de la Lune (et de la Terre), et souligne comment les glaces lunaires peuvent éclairer le passé.

Avec un intérêt accru pour l’installation de bases humaines permanentes sur la Lune (dès 2027 dans le cas de la Chine), et éventuellement l’utilisation de la surface lunaire comme rampe de lancement vers des destinations encore plus lointaines telles que Mars, la glace d’eau et les autres substances volatiles présentent sur la Lune pourront devenir une ressource importante pour le carburant des fusées, l’industrie, ainsi que le soutien de la vie des astronautes habitant les bases lunaires.

Voir en ligne : La brève sur le site de l’INSU

VISTA, l’un des télescopes de sondage de l’ESO, a scruté un ensemble de galaxies massives longtemps demeurées inconnues bien qu’elles soient contemporaines de l’Univers jeune. La découverte, suivie de l’étude de cet échantillon – le plus vaste à ce jour, a permis aux astronomes, parmi lesquels des chercheurs du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (Institut Pythéas / CNRS – Université d’Aix-Marseille) de dater, pour la toute première fois, l’époque de formation de ces monstres galactiques.

Le simple fait de dénombrer les galaxies peuplant une région du ciel permet aux astronomes de tester leurs théories de formation et d’évolution galactiques. Cette tâche, au demeurant simple, se complexifie toutefois à mesure que la distance des galaxies augmente et que leur luminosité diminue. En outre, les galaxies les plus brillantes et les plus faciles à observer – les galaxies les plus massives de l’Univers – sont d’autant plus rares que les astronomes scrutent le passé de l’Univers, tandis que les galaxies moins brillantes et plus nombreuses sont toujours plus difficiles à détecter. Une équipe d’astronomes dirigée par Karina Caputi de l’Institut Astronomique Kapteyn à l’Université de Groningen, a mis au jour l’existence de nombreuses galaxies distantes qui avaient échappé à tout examen antérieur. Pour ce faire, l’équipe a utilisé des images acquises dans le cadre du sondage UltraVISTA, l’un des six projets de sondage du ciel à des longueurs d’ondes proches de l’infrarouge impliquant  VISTA, et recensé les galaxies faiblement lumineuses peuplant l’Univers lorsque ce dernier était âgé de 0,75 à 2,1 milliards d’années. UltraVISTA a observé la même région du ciel, dont les dimensions avoisinent celles de quatre pleines Lunes, depuis décembre 2009. Il s’agit là de la plus vaste région du ciel jamais imagée à ces profondeurs et à des longueurs d’onde infrarouges. L’équipe a ensuite combiné les observations UltraVISTA à celles du Télescope Spatial Spitzer de la NASA, chargé de sonder le ciel à de plus grandes longueurs d’onde, dans l’infrarouge moyen.  ¹ “Nous avons découvert 574 nouvelles galaxies massives – l’échantillon le plus vaste à ce jour de ces galaxies cachées au sein de l’Univers jeune”, déclare Karina Caputi. “En les étudiant, nous avons été en mesure de répondre à une question simple mais ô combien importante : à quelle époque les premières galaxies massives sont-elles apparues ?” Imager le ciel dans le proche infrarouge a permis aux astronomes de détecter la présence d’objets extrêmement lointains ², contemporains de l’Univers jeune, et dont l’existence se trouve masquée par la poussière. L’équipe a découvert une brusque augmentation du nombre de ces galaxies sur une courte période. Une part importante des galaxies massives  ³ qui peuplent aujourd’hui l’Univers proche existait déjà trois milliards d’années après le Big Bang. “Nous n’avons pas trouvé la preuve de l’existence de ces galaxies massives moins d’un milliard d’années après le Big Bang. Nous en déduisons que les premières galaxies massives se sont certainement formées à cette époque”, conclut Henry Joy McCracken, co-auteur de l’article  ⁴. Les astronomes ont par ailleurs découvert que les galaxies massives étaient plus nombreuses que supposé. Les galaxies jadis masquées représentent la moitié du nombre total de galaxies massives contemporaines de l’Univers alors âgé de 1,1 à 1,5 milliard d’années  ⁵. Toutefois, ces nouveaux résultats contredisent les modèles actuels décrivant l’évolution des galaxies dans l’Univers jeune, qui ne prévoient pas l’existence de monstres galactiques à des époques aussi reculées. Pour compliquer davantage encore la situation : si les galaxies massives de l’Univers jeune étaient plus poussiéreuses qu’attendu, même UltraVISTA ne pourrait les détecter. Si tel était effectivement le cas, notre conception actuelle de la formation des galaxies dans l’Univers jeune devrait également être entièrement révisée. Le Vaste Réseau (Sub-)Millimétrique de l’Atacama (ALMA) partira à son tour à la recherche de ces galaxies poussiéreuses. Une fois découvertes, elles constitueront des cibles d’observation privilégiées de l’E-ELT (l’Extrêmement Grand Télescope Européen de 39 mètres de l’ESO), qui fournira des images détaillées de certaines de ces toutes premières galaxies.