La matière intergalactique, moteur de l'évolution des galaxies spirales

- communiqué de presse

Mercredi, 27 novembre 2002

La morphologie des galaxies n'est pas figée. Elle a évolué depuis leur formation et continue d'évoluer aujourd'hui. La présence de structures caractéristiques dans certaines galaxies, les barres, indique que les galaxies n'ont pas évolué comme des systèmes isolés, mais au contraire qu'elles ont fortement interagi avec leur environnement. Des chercheurs du Laboratoire d'Etude du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique (Observatoire de Paris - CNRS) viennent de montrer que l'observation de barres dans deux tiers des galaxies est le résultat de l'accrétion de grandes quantités de gaz par les galaxies tout au long de leur vie, ce gaz provenant du milieu intergalactique.

La plupart des galaxies sont des galaxies spirales, constituées d'un disque mince en rotation, parcouru par des bras spiraux, et un bulbe sphéroïdal central. On distingue deux grandes catégories de galaxies spirales, selon qu'elles possèdent ou non une barre (figure 1). Une barre galactique est une structure dense allongée, au centre du disque, faite d'étoiles et de gaz interstellaire. Deux tiers des galaxies spirales sont barrées plus ou moins fortement, un tiers ne possèdent pas de barre.


Figure 1: Galaxies spirales non barrée (à gauche, NGC 628) et barrée (à droite, NGC 1365). Dans les deux cas, le disque de la galaxie est vu de face. Sur l'image de droite, la barre est la structure rectiligne horizontale. Sur les deux images, les structures enroulées sont les bras spiraux. © Image de gauche : Gemini Observatory - GMOS Team. Image de droite : VLT-ESO.
Les barres sont des instabilités qui apparaissent naturellement dans un disque autogravitant en rotation, tel qu'un disque de galaxie spirale. La présence d'une barre perturbe alors l'évolution dynamique du disque. En particulier, la symétrie est brisée par la barre. Les couples de torsion qui en résultent repoussent le gaz initialement situé à grand rayon vers l'extérieur du disque, alors que le gaz initialement situé à petit rayon tombe au centre du disque. L'accumulation de gaz au centre du disque déclenche une flambée de formation d'étoiles, et surtout affaiblit progressivement la barre. L'augmentation de la masse centrale conduit à l'enrichissement du bulbe. Le disque est alors moins soumis à sa propre gravité qu'à la gravité du bulbe, ce qui le stabilise et finit par le rendre non barré. Les barres s'auto-détruisent donc, et disparaissent ainsi au bout de 2 à 6 milliards d'années.

Il est alors surprenant que deux tiers des galaxies voisines de la nôtre, âgées d'au moins une dizaine de milliards d'années, soient des galaxies barrées. On s'attendrait plutôt à ce que la plupart des barres se soient déjà détruites, ce qui conduirait à observer une grande majorité de galaxies spirales non barrées. Une explication possible est qu'après s'être détruites, les barres se soient reformées.

Si les galaxies sont considérées comme isolées, sans interaction avec leur extérieur, aucun mécanisme ne permet d'expliquer la reformation des barres. Le disque reste en effet dominé par le bulbe, donc stable. De plus, les mouvements centraux sont très désordonnés après la destruction de la première barre, ce qui contribue à stabiliser le disque et empêcher l'apparition d'une nouvelle barre.

En supposant que les galaxies accrètent de grandes quantités de gaz tout au long de leur vie, il est possible d'expliquer la formation de nouvelles barres de galaxies. En effet, le gaz accrété augmente la masse du disque par rapport au bulbe, et rend les mouvements au centre du disque plus ordonnés. Les deux conditions requises pour que le disque redevienne instable et qu'une nouvelle barre se forme sont alors remplies. Des simulations numériques (figure 2) ont été utilisées pour montrer que le disque développe alors une seconde barre. A son tour, celle-ci se détruit, puis une troisième barre se forme. Le grand nombre de barres observées aujourd'hui serait donc le résultat de la reformation de barres après la destruction de barres primordiales.


Figure 2: Simulation de l'évolution d'une galaxie spirale accrétant du gaz. Les trois vues sont séparées de 3 milliards d'années. La barre initialement présente se détruit, la galaxie devient alors non barrée. Une seconde barre se forme ensuite, ce qui est rendu possible par l'accrétion continuelle de grande quantité de gaz par la galaxie. © LERMA. CNRS-Observatoire de Paris.
Il est possible de mesurer la force des barres dans les galaxies observées dans l'infrarouge. La distribution statistique des forces de barres a été déterminée sur un échantillon de 163 galaxies. L'histogramme résultant (figure 3) montre que les barres très faibles sont rares ; la plupart des galaxies possèdent une barre assez forte. La forme précise de cet histogramme constitue un test pour le scénario de formation des nouvelles barres par accrétion de gaz. On sait déjà que ce mécanisme permet de reformer des barres, mais est-ce vraiment ainsi que les barres ont évolué dans l'Univers ? Les simulations numériques d'accrétion de gaz ont permis de synthétiser un nouvel histogramme de distribution des forces de barres dans des galaxies. En présence d'accrétion de gaz, le résultat observationnel est bien reproduit par ces simulations, à condition d'utiliser le bon taux d'accrétion. Ceci montre que ce scénario d'évolution des galaxies correspond à la réalité. L'interprétation des observations indique également que les galaxies doublent leur masse par accrétion de gaz en dix milliards d'années, soit moins que l'âge de l'Univers. Au contraire, les simulations numériques ne prenant pas en compte l'accrétion de gaz par les galaxies ne reproduisent pas les observations de barres.


Figure 3: Distribution des forces de barres dans les galaxies voisines de la nôtre : - à gauche : observations, - au centre : simulations de galaxies doublant leur masse en 10 milliards d'années par accrétion de gaz ; c'est ce taux d'accrétion qui donne le meilleur accord avec les observations, - à droite : simulations de galaxies sans accrétion de gaz. © LERMA. CNRS-Observatoire de Paris.
Les barres sont ainsi un traceur de l'évolution des galaxies. Le fait que la plupart des galaxies soient barrées est un résultat visible d'une accrétion continuelle de gaz non observée, qui conduit les galaxies à doubler leur masse en dix milliards d'années. Les galaxies sont donc loin d'être des systèmes isolés ; au contraire elles évoluent en fonction de leur environnement. On sait depuis longtemps qu'elles interagissent parfois entre elles, elles apparaissent maintenant comme des systèmes qui continuent de se former aujourd'hui en accrétant continuellement le gaz qui les entoure.

Source(s): 

F. Bournaud, F. Combes; A&A 392 (September II 2002), 83-102. D. L. Block, F. Bournaud, F. Combes, I. Puerari and R. Buta; A&A 394 (November II 2002), L35-L38 (Section 'Letters').

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