Une simulation numérique pour expliquer les brutales naissances d’étoiles lors des fusions entre galaxies

Monday, 4 October 2010

Lorsque deux galaxies entrent en collision nous assistons à de très nombreuses formations d'étoiles. Jusqu'à présent les simulations numériques tendaient à montrer que ces formations devaient avoir lieu systématiquement au centre de ces galaxies en collisions, ce qui est contraire aux observations. Des chercheurs du laboratoire « Astrophysique, Instrumentation et Modélisation » (AIM : CEA-Irfu, CNRS-INSU, Université Paris-Diderot) viennent de développer une simulation numérique à haute résolution pour reproduire le phénomène de collisions et de formation stellaire. Cette nouvelle simulation montre que le gaz s'effondre en de grands nuages moléculaires qui forment de très nombreuses étoiles. Ces nuages géants se répartissent sur tout le disque de la galaxie, entrainant des modifications de la morphologie de la galaxie, ce qui correspond aux observations.

Les galaxies, fabriques d'étoiles

Une galaxie spirale nous apparaît comme un vaste disque de quelques dizaines de kiloparsecs[1] de rayon, rempli de gaz et de plusieurs dizaines de milliards d'étoiles. Pendant que certaines étoiles vieilles "meurent", le gaz du milieu interstellaire forme sans cesse de nouvelles étoiles en son sein. En moyenne, chaque année, une masse de gaz équivalente à la masse du Soleil est transformée en jeunes étoiles.

Les observations nous apprennent que cette formation stellaire a lieu dans des cœurs denses (dimension ≈ 1 pc, densité>105 atomes/cm³) de gaz H2 moléculaire froid, eux-mêmes dispersés dans des nuages moléculaires géants (10-100 pc, 10²-10³ atomes/cm³). En dehors de ces énormes "grumeaux", le gaz du milieu interstellaire est bien plus diffus (10-100 atomes/cm³) et plus chaud.

Des flambées de formation stellaire enclenchées par la fusion de galaxies

Lorsque cette galaxie "paisible" interagit gravitationnellement avec une de ses sœurs, lors d'une collision ou d'une fusion de galaxies par exemple, le gaz qu'elles contiennent s'en trouve fortement perturbé. Ces perturbations donnent lieu à des instabilités au sein des disques de gaz, attisant ainsi la fabrication de nouvelles étoiles jusqu'à des taux pouvant atteindre 100 voire 1 000 masses solaires par an. On parle alors de flambée de formation stellaire. Il existe de nombreuses preuves observationnelles de ces flambées de formation d'étoiles dues à l'interaction entre galaxies. L'exemple le plus connu est certainement celui des Antennes, aussi connues sous le nom de NGC4038 et NGC4039, que l'on peut observer dans la constellation du Corbeau à 62 millions d'années-lumière. Cette paire de galaxies en train de fusionner. Les astronomes estiment entre 3 et 20 masses solaires par an le taux de formation d'étoiles actuel des galaxies des Antennes. Ces estimations sont rendues difficiles par la présence de poussière qui absorbent le rayonnement émis par les étoiles, obscurcissant ainsi notre vision des galaxies.

La simulation numérique pour expliquer ces brutales formations

Pour tenter de comprendre le phénomène de flambée de formation d'étoiles, la simulation numérique est un outil précieux qui permet de modéliser, à l'aide de supercalculateurs, les différents phénomènes physiques qui interviennent lors de ces collisions. Depuis des années, de nombreuses équipes ont réalisé de telles simulations, sans toutefois parvenir à faire le lien entre les différentes échelles. En effet, l'idéal serait de modéliser dans une même simulation, toutes les échelles entre l'échelle galactique (100 kpc) et l'échelle à laquelle se forment les étoiles (quelques UA[2]), soit 11 ordre de grandeurs en échelle spatiale. Pour l'heure, la puissance des supercalculateurs ne le permet pas. C'est pourquoi, jusqu'à présent, les modèles numériques de simulations de collision de galaxies ne prenaient en compte que la phase chaude du milieu interstellaire, sans pouvoir résoudre les nuages moléculaires froids qu'il abrite, car leur résolution maximale était de l'ordre de 100 parsecs. Désormais, la puissance de calcul de notre disposition nous permet d'aller plus loin et d'atteindre des résolutions de l'ordre de quelques parsecs, ce qui nous autorise à résoudre la formation des nuages moléculaires géants, en prenant en compte la phase froide du milieu interstellaire. Dans ces calculs, on mime généralement la formation de nouvelles étoiles en utilisant une recette de type "plus il y a de gaz, plus on crée d'étoiles".

Le scénario standard permettant d'expliquer ces flambées de formation stellaire est le suivant : lors de l'interaction gravitationnelle entre deux galaxies, les forces de marée perturbent le gaz du milieu interstellaire qui va s'amasser dans des bras spiraux très forts ou bien être éjecté à grande vitesse sous forme de grandes queues de marée. Le long des bras spiraux, le gaz coule vers le centre de la galaxie, formant un noyau de gaz dense très massif, où la formation de nouvelles étoiles devient très intense. Mais ce scénario est mis à mal par des observations qui montrent que la flambée n'a pas systématiquement lieu au centre de la galaxie, mettant ainsi en évidence les limites de cette explication, ainsi que des simulations sur lesquelles elle repose.

Une nouvelle simulation à haute résolution...

En réalisant des simulations haute résolution d'une collision de galaxies qui reproduit le système des Antennes[3] dans lesquelles les chercheurs du laboratoire AIM ont aussi pris en compte la phase froide du milieu interstellaire (T > 300 K), et augmenté la résolution jusqu'à atteindre 12 parsecs,. Ils ont alors pu constater un certain décalage par rapport au précédent scénario. Des instabilités thermiques et gravitationnelles se produisent dans les disques de gaz lors de la collision. Partout, le gaz s'effondre en une myriade de nuages de gaz froid et dense, ces fameux nuages moléculaires géants, chacun développant une formation d'étoiles soutenue, ce qui mène à la formation de super-amas d'étoiles. Le gaz, au lieu de "tomber" complètement au centre de la galaxie, va en partie s'accumuler dans ces nuages dispersés dans tout le disque et la morphologie à grande échelle de la galaxie s'en trouve modifiée.


A gauche, distribution des étoiles jeunes dans la simulation numérique de la collision des galaxies des Antennes. A droite, images des Antennes. © HST, NASA-ESA. AIM.

... qui explique parfaitement les observations

Pour la première fois dans une simulation de galaxies en interaction, ils ont pu mettre en évidence une répartition étendue et inhomogène de la flambée de formation stellaire. Elle n'est plus localisée uniquement au centre de la galaxie, mais aussi dans des amas d'étoiles dispersés dans tout le disque. Si l'on compare ces simulations aux images des Antennes telles qu'on les observe, la structure étendue et inhomogène de la répartition des étoiles jeunes est bien mieux reproduite par la simulation à haute résolution.

Ils ont pu comparé les lois de formation stellaire des galaxies simulées à celles observées dans un large échantillon de galaxies publié récemment, qui met en évidence cette bimodalité de formation d'étoiles dans les galaxies observées. Elles se rangent dans deux séquences distinctes : les galaxies disques, et les galaxies "flambée d'étoiles". Au cours de la simulation à haute résolution les astrophysiciens du laboratoire AIM ont mis en évidence un changement de séquence des galaxies simulées qui, avant le début de l'interaction se rangeaient dans la catégorie des disques, pour ensuite basculer dans la catégorie "flambée d'étoiles" lors de la collision. Ces résultats, en accord avec les observations, suggèrent que ce nouveau scénario alternatif de flambée de formation stellaire serait plus réaliste que celui proposé auparavant.


Aperçu de la collision à t = -150 millions d'années. La densité du gaz est représentée en vert, les étoiles vieilles en rouge et les étoiles jeunes en bleu. © AIM.

La résolution de la formation des nuages moléculaires géants dans une simulation de collision de galaxies constitue une première étape. A l'avenir, on pourra envisager de résoudre la structure interne très turbulente de ces nuages moléculaires géants. Ces travaux ouvrent ainsi la voie à de futures études numériques qui, lorsque la puissance des supercalculateurs le permettra, modéliseront plus précisément la physique du gaz froid aux petites échelles, élément indispensable à une meilleure compréhension de ces flambées de formation stellaire induites par collision.


[1] 1 kiloparsecs = 1 000 parsecs = 3 260 années-lumière

[2] 1 unité astronomique (UA) = distance Terre-Soleil = 150 millions de km

[3] Teyssier et al., The Driving Mechanism of Starbursts in Galaxy Mergers, The Astrophysical Journal Letters, 720, 2010. http://adsabs.harvard.edu/abs/2010ApJ...720L.149T

 

Pour en savoir plus: 
Source(s): 

"The Driving Mechanism of Starbursts in Galaxy Mergers". Teyssier et al., Astrophysical Journal Letters, 720, 2010. http://adsabs.harvard.edu/abs/2010ApJ...720L.149T

Contact(s):
  • Damien Chapon, AIM
    damien [dot] chapon [at] cea [dot] fr, 01 69 08 43 29