Clefs n°58 Automne 2009
Clefs n°58 Automne 2009
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de Automne 2009

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 168

  • Taille du fichier PDF : 7,3 Mo

  • Dans ce numéro : dans les secrets de l'Univers.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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56 L’astrophysique et l’exploration de l’Univers Messier 82, aussi appelée la galaxie cigare, est la plus proche galaxie (13 millions d'annéeslumière) ayant une « flambée de formation d'étoiles ». Elle se trouve dans la direction de la Grande Ourse. Il s'agit d'une galaxie spirale, vue par la tranche, dont les explosions d'étoiles (supernovae) sont si puissantes et nombreuses qu'elles éjectent le gaz interstellaire hors de la galaxie. La couleur rouge du gaz filamentaire qui s'échappe de la galaxie est une couleur artificielle utilisée pour visualiser le gaz ionisé. CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 Formation des galaxies : une histoire paradoxale Les moyens d’observation actuels permettent de remonter de plus en plus loin dans le passé de l’Univers. Depuis quelques années, les astrophysiciens s’attachent à reconstituer le scénario de l’évolution des galaxies depuis les premières formées. Cela ne va pas sans surprises… L a pointe d’un stylo tenu à bout de bras ne cache qu’une infime fraction de la voûte céleste. Et pourtant, les récentes images profondes du ciel ont détecté tellement de galaxies qu’il en « tiendrait » près de 2 000 derrière cette seule pointe de stylo ! Rapportées à l’ensemble du ciel, ces observations indiquent que l’Univers contient au moins 120 milliards de galaxies. Les galaxies sont donc à l'Univers ce que les étoiles sont aux galaxies, puisque la Voie lactée contient 230 milliards d’étoiles. La lumière des plus lointaines a mis près de 13 milliards d’années, soit 95% de l’âge de l’Univers (1), à parvenir aux observateurs. Les scientifiques voient donc aujourd’hui les galaxies telles qu’elles étaient à différentes époques du passé. En combinant toutes ces informations, ils tentent de dresser une sorte de « portrait-robot » de la galaxie-type à différents moments de l’histoire, reconstituant ainsi le scénario de la formation des galaxies. Pour cela, ils doivent observer le ciel dans toute l’étendue – toutes les longueurs d’onde ou « couleurs » – du spectre électromagnétique, car chaque processus cosmologique émet des rayonnements dans un domaine particulier (2). Les rayons de haute énergie (X et gamma) proviennent ainsi des événements les plus chauds, donc énergétiques, comme le gaz chauffé en tombant dans un trou noir supermassif, les explosions d’étoiles… Les rayonnements de basse énergie, comme l’infrarouge ou les ondes radio, révèlent les cocons de poussière (là où naissent les étoiles), le gaz interstellaire et les restes de supernovae. Les étoiles formées rayonnent la majorité de leur lumière dans le domaine du visible ou de l’ultraviolet (voir Mémo A, Sonder l'Univers sur toute la gamme lumineuse, p.31). Ainsi, selon la couleur dans laquelle est observée une galaxie, sa forme, sa morphologie, sa composition changent. Au cours des dernières années, ces observations multicouleurs ont révolutionné la connaissance scientifique de l’évolution des galaxies (encadré)… et fait naître de nouvelles questions, parfois à la limite du paradoxe. (1) Lorsque les astronomes parlent de l'âge de l’Univers, ils font référence au temps qui s'est écoulé depuis le big bang qui est estimé à 13,7 milliards d’années. Le véritable âge de l'Univers reste inaccessible car les théories actuelles ne permettent pas d'étudier l'Univers au-delà du big bang. (2) Pour comprendre complètement l’histoire des galaxies, il faut aussi prendre en compte leur environnement. En effet, la plupart d’entre elles (environ 90%) sont concentrées en groupes de quelques unités, et le reste (près de 10%) en amas de plusieurs centaines de galaxies. De plus, les modèles théoriques suggèrent qu’entre les galaxies elles-mêmes existent des ponts de gaz, sortes de filaments invisibles (jusqu’à aujourd’hui mais peut-être les observera-t-on dans le futur) qui les nourrissent. NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Deux scénarios opposés Au cours de l’histoire de l’astrophysique, deux scénarios ont été envisagés pour expliquer la formation des galaxies : bottom-up et top-down. Dans le premier cas, les premières galaxies furent des « naines » qui, par fusions successives, ont constitué des ensembles de plus en plus grands et massifs. Dans un tel scénario, les galaxies massives, comme la Voie lactée, proviennent de la fusion d’une centaine de ces entités-galaxies. Le scénario topdown suppose au contraire que les plus grandes structures de l’Univers se créent en premier puis se fragmentent. Les galaxies seraient alors les grumeaux d’une super-structure primordiale, devenue un amas de galaxies aujourd’hui. La découverte de galaxies en phase de fusion ainsi que celle des germes primordiaux des galaxies, présents dans le fond diffus cosmologique, ont participé à l’acceptation générale du scénario bottom-up. Dans ce contexte, la formation d’une galaxie est un processus continu puisqu’elle résulte de fusions successives, et l’on parle de formation hiérarchique des galaxies. Il y a un peu plus d’une dizaine d’années, l’étude de la génération d’étoiles dans les galaxies a cependant jeté un sérieux trouble. Les astrophysiciens ont en effet constaté qu’au lieu d’apparaître en dernier, les galaxies les plus massives ont au contraire créé toutes leurs étoiles très tôt dans l’histoire de l’Univers, tandis que les moins massives continuent de se former encore aujourd’hui. Cette propriété des galaxies, à l’inverse de ce qui serait attendu dans le cadre du scénario bottom-up, représente l’une des grandes énigmes pour les astrophysiciens. Évolution des galaxies : les mécanismes à l’œuvre Plusieurs mécanismes entrent en jeu au cours de l’histoire évolutive des galaxies. La formation d’étoiles. Lors de ce mécanisme, le gaz interstellaire produit des grumeaux dans lesquels naissent des molécules, qui vont elles-mêmes refroidir le gaz. Ce dernier s’effondre alors jusqu’à des densités suffisamment élevées pour créer des étoiles. Les astronomes parlent de nuages moléculaires géants (GMC) pour décrire ces régions internes aux galaxies. La formation et la croissance du trou noir supermassif situé au centre des galaxies. L’étude du mouvement des étoiles au centre de la Voie lactée montre qu’elles sont attirées par une masse invisible très concentrée, un trou noir supermassif de près de 4 millions de fois la masse du Soleil. Les astronomes savent aujourd’hui que pratiquement toutes les galaxies contiennent un tel trou noir, qui peut peser jusqu’à plusieurs milliards de masses solaires. L’évolution morphologique caractérise le changement de forme que peut subir une galaxie au cours de son histoire. On parle généralement de morphologie pour décrire la forme de l’ensemble des étoiles, car le gaz est plus difficile à observer. L’arbre « généalogique » ou de fusions (merging tree) suit, comme chez un être humain, le passage des ancêtres (les galaxies de plus petite masse) aux descendants résultant de la fusion de ces petites galaxies, jusqu’à arriver à la galaxie massive actuelle. L’accrétion de gaz intergalactique. Contrairement aux apparences, les galaxies ne sont pas des êtres isolés. Il peut arriver que deux galaxies se croisent et fusionnent (ou ne fassent que modifier leurs formes sans fusionner) mais la croissance en masse des galaxies vient aussi de leur capacité de recevoir ou d’attirer la matière environnante. Fusion de deux galaxies spirales vues de face. Dans quelques milliards d'années, la grande galaxie spirale de gauche (NGC 2207) aura avalé sa proche voisine (IC 2163) et il deviendra difficile de retrouver la trace de cet événement dans la future galaxie. CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 57 Debra Meloy Elmegreen (Vassar College) et al., NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI)



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