Du nouveau sur la formation des galaxies géantes

Vendredi, 30 septembre 2016

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 GUViCS1 à l’optique et l’infra-rouge proche grâce au projet NGVS1 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). Crédits : 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. Crédits : 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). Crédits : 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). Crédits : 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.

Les collaborateurs français :
S. Boissier, A. Boselli, Y. Roehlly du Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (AMU, CNRS).
J-C Cuillandre du CEA-Saclay/Obs. de Paris

Les collaborateurs canadiens :
L. Ferrarese, P. Côté, S. Gwyn, J. Roediger (membres du survey NGVS)

Rôles principaux :

- S. Boissier a mené cette étude de Malin 1. Il est spécialiste de l’évolution des galaxies, a développé les modèles utilisés dans l'article, et s'intéresse aux galaxies à faible brillance de surface depuis de nombreuses années.
- A. Boselli est le PI du projet GUViCS qui a fourni les données UV utilisées dans l'article.
- L. Ferrarese est la PI du projet NGVS qui a fourni les données optiques et infra-rouge.

Contact :
Samuel Boissier, LAM (CNRS/Université Aix-Marseille), samuel [dot] boissier [at] lam [dot] fr, 04 91 05 59 37

Note(s): 

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.

Pour en savoir plus: 

Retrouver l'article de la revue Astronomy and Astrophysics, The properties of the Malin 1 galaxy giant disk: A panchromatic view from the NGVS and GUViCS surveys, 2016, A&A, 593, A126,  Septembre 2016

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