Une preuve décisive apportée au modèle hiérarchique de formation des galaxies

La plupart des galaxies sont constituées d’un large disque. C’est le cas de notre galaxie, la Voie lactée, et d’Andromède, sa plus proche voisine. Les galaxies spirales représentent environ deux tiers des galaxies de l’Univers actuel. C’est dire si la compréhension de leur origine est aujourd’hui l’une des questions centrales de l’astrophysique.

Quand et comment ces disques se sont formés reste sujet à débat : ont-elles grandi par accrétion de gaz provenant de leur périphérie, ou par coalescence de petites entités ayant graduellement formé des galaxies plus massives ? Ce dernier scénario est connu sous le nom de « modèle hiérarchique » de formation des galaxies.

Une équipe d’astronomes de l’Observatoire de Paris en collaboration avec une chercheuse du Laboratoire d’astrophysique de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Université) apporte de nouveaux éléments décisifs sur le mode de formation des disques galactiques.

Leurs travaux se sont basés sur l’observation d’une centaine de galaxies lointaines ayant émis leur lumière il y a 8 milliards d’années, en mobilisant plusieurs techniques instrumentales, ce qui n’avait jamais été réalisé auparavant.

En premier lieu, des observations réalisées à l’aide du spectrographe KMOS à mode multi-intégral de champ, nouvellement installé au Very Large Telescope (VLT) de l’ESO, ont permis d’étudier ces galaxies distantes et d’analyser leur mouvement interne.

Elles ont montré qu’il y a 8 milliards d’années, un grand nombre de galaxies étaient animées d’un mouvement de rotation. Cette première observation semblait plaider en faveur d’un scénario de formation par accrétion de gaz. Cependant, la résolution spatiale de KMOS n’étant pas suffisante, il n’était pas possible d’établir sans ambiguïté l’origine du mouvement de ces galaxies distantes.

L’équipe de chercheurs a donc ré-analysé ces observations cinématiques, en les combinant à l’imagerie profonde délivrée par le télescope spatial Hubble. À la lumière de cette nouvelle analyse, elle a pu établir que leur cinématique était bien plus perturbée que ce que l’on pensait auparavant.

En parallèle, l’équipe a initié la première recherche systématique de compagnons physiquement liés à ces galaxies distantes, grâce au relevé spectroscopique proche infrarouge de Hubble coordonné par l’université de Yale.

Le résultat est surprenant et décisif. Près de deux tiers des galaxies distantes sont en voie de fusion. L’interaction avec un compagnon massif explique les structures singulières observées sur les images du télescope spatial Hubble, telles que des queues de marée et des ponts de matière.

Comme ces galaxies distantes sont les ancêtres des galaxies spirales actuelles, les observations attestent que les galaxies spirales ont reformé un nouveau disque après une fusion.

Ces résultats fournissent une nouvelle preuve essentielle en faveur du scénario hiérarchique de formation des galaxies, qui suppose que les petites galaxies fusionnent pour en former de plus grandes.

Référence

Ce travail de recherche a fait l’objet d’un article intitulé « Morpho-kinematics of z 1 galaxies probe the hierarchical scenario », par M. Rodrigues et al., paru le 13 décembre 2016 dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (arXiv:1611.03499).

Collaboration

L’équipe est composée pour :

• L’Observatoire de Paris / CNRS / Univ. Paris Diderot, France
  • M. Rodrigues (GEPI)
  • F. Hammer (GEPI)
  • H. Flores (GEPI)
  • M. Puech (GEPI)
• Le Laboratoire d’astrophysique de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Université).
  • E. Athanassoula