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Astronomie 

Des étoiles 
que le vent 
a effacées

Des gaz soufflés par des explosions stellaires ont interrompu la croissance de galaxies naines

Publié en Janvier 2013

Galaxie du Fourneau, en haut de page: une des 26 galaxies naines qui orbitent autour de la Voie Lactée

ESO/DIGITIZED SKY SURVEY 2Galaxie du Fourneau, en haut de page: une des 26
galaxies naines qui orbitent autour de la Voie Lactée ESO/DIGITIZED SKY SURVEY 2

Il y a un mystère sur l’évolution des galaxies naines. Les astronomes observent un nombre bien moins important de ces petits amas d’étoiles que ce qui est prévu par la théorie actuelle de la formation de l’univers à partir d’une explosion qui a eu lieu il y a 13,7 milliards d’années, le Big Bang. C’est pour cette raison que l’on pense que cette théorie est erronée (théorie de moins en moins admise par les spécialistes), et qu’un évènement a du se produire au cours de la formation de ces galaxies qui les a laissées si vides d’étoiles que même les plus puissants télescopes ne parviennent pas à les observer.

Dans un travail récemment approuvé pour sa publication dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, un groupe d’astronomes brésiliens présente des résultats qui renforcent la deuxième hypothèse et qui décrivent un possible mécanisme qui aurait empêché certaines galaxies naines de produire des étoiles en abondance. Au moyen de simulations par ordinateur, Diego Falceta-Gonçalves, de l’Université de São Paulo (USP), Luciana Ruiz, Gustavo Lanfranchi et Anderson Caproni, de l’Université Cruzeiro do Sul (Unicsul), avancent l’idée qu’une série d’explosions stellaires qui ont eu lieu au début de la formation des galaxies naines en aurait expulsé presque tout le gaz qui leur aurait servi à créer de nouvelles étoiles. Elles se seraient ainsi pratiquement dépeuplées.

Bien que cet évènement ait eu lieu il y a plus de 13 milliards d’années, peu de temps après la création de l’univers, ces explosions stellaires peuvent avoir laissé des traces (des éléments chimiques à l’intérieur et hors des galaxies) qui peuvent être vérifiées par des observations astronomique qui serviront à confirmer ou à réfuter le modèle. «Notre travail explique ce qui a pu avoir lieu tant à l’intérieur de la galaxie naine qu’entre les amas de galaxies», déclare Gustavo Lanfranchi.

Les galaxies naines existent dans tout l’univers, orbitant autour de galaxies plus grandes, comme la nôtre, la Voie Lactée. Elles possèdent généralement des centaines de millions d’étoiles (environ 0,1 % du total trouvé dans la voie Lactée). Certaines contiennent encore du gaz et sont encore capables de créer de nouvelles étoiles. Cependant, la plupart abrite seulement un groupe de vieilles étoiles. Dans la Petite Ourse, une des galaxies naines qui orbitent autour de la Voie Lactée, par exemple, la dernière étoile est née il y a 9 milliards d’années.

Cosmic Timeline Illustrati on NASA/CXC/M.WeissConformément à la théorie cosmologique commune selon laquelle l’univers est né il y a 13,7 milliards d’années à partir d’une explosion initiale et qui depuis lors s’étend, les galaxies naines ont été les premiers amas d’étoiles à se former, environ 300 millions d’années après le Big Bang. De plus grandes galaxies de la taille de la Voie Lactée n’ont commencé à apparaître qu’un milliard d’années plus tard. Les astronomes débattent encore pour savoir si les plus grandes galaxies sont issues d’une agglutination de galaxies naines ou si elles se sont développées à part. Mais tous estiment que les galaxies, grandes ou petites, sont nées du gaz accumulé dans des régions de l’espace où la matière noire s’est concentrée.

La matière noire est une substance invisible qui n’a pas encore été identifiée. Elle est présente dans tout l’espace et n’est détectée que par l’influence gravitationnelle qu’elle exerce sur les étoiles et les galaxies. Selon les observations cosmologiques, il devrait y avoir de cinq à neuf fois plus de matière noire que de matière normale dans l’univers. Les simulations par ordinateur basées sur la théorie du Big Bang suggèrent que les plus grandes galaxies se sont justement formées dans les régions où s’est concentrée une plus grande quantité de matière noire, les halos.

Ces simulations montrent également que chacun de ces grands halos de matière noire est entouré d’une constellation de centaines de halos plus petits, qui, en principe, devraient être à l’origine des galaxies naines. Mais au lieu de centaines, seulement 26 d’entre elles ont été observées orbitant autour de la Voie Lactée. «Selon les observations et les simulations réalisées, il devrait y avoir des centaines de halos de matière noire qui n’ont quasiment formé aucune étoile», commente Gustavo Lanfranchi.

Un autre mystère sur les galaxies naines est que la proportion de matière normale et de matière noire est très différente de celle observée dans les plus grandes galaxies. La masse du halo de matière noire qui englobe la Voie Lactée est 10 fois plus grande que la masse totale de ses étoiles. Par contre, les galaxies naines étudiées contiennent de 20 à 3,4 mille fois plus de matière noire que la masse stellaire. «Proportionnellement, beaucoup moins d’étoiles ont été créées dans les galaxies naines que dans la Voie Lactée pour différentes raisons», déclare Gonçalves.

Différents groupes d’astrophysiciens sont en train de développer des simulations montrant comment aurait évoluée la concentration initiale de gaz et de matière noire qui ont créées les galaxies naines, pour expliquer leur passé. Tous les travaux suggèrent que les protagonistes de cette histoire sont les supernovas qui sont les explosions qui marquent la fin de vie des étoiles ayant une masse très élevée, des dizaines de fois supérieure à celle du soleil. Selon les modèles théoriques, les premières supernovas qui se sont formées dans ces galaxies auraient transféré tant d’énergie vers le gaz à l’intérieur de ces amas d’étoiles qu’elles auraient fini par l’expulser dans le milieu intergalactique. Ainsi, sans gaz, la formation stellaire aurait été interrompue.

Jusqu’à présent, aucune simulation n’avait atteint un niveau de détail suffisant pour expliquer exactement comment ce gaz s’échappait, ni en quelle quantité, ni à quel stade de l’évolution galactique. Les astronomes brésiliens ont alors accepté de relever le défi de simuler le premier milliard d’années des galaxies naines de la manière la plus réaliste possible, utilisant un code informatique développé par l’astrophysicien polonais Grzegorz Kowal, de l’USP. Dans ces simulations, les chercheurs ont analysé 11 scénarios possibles expliquant l’évolution de ces galaxies, modifiant des paramètres comme la distribution de la matière noire et le taux de formation de supernovas. Ils ont également tenu compte de détails comme l’apparition aléatoire de supernovas dans différentes régions de la galaxie et la quantité d’énergie libérée par les explosions convertie en chaleur ou en lumière.

036_039_GalaxiasAnas_ING-3Vents omniprésents
Les chercheurs, bien que maîtrisant les paramètres de leurs simulations, ne pouvaient pas en connaître les résultats à l’avance. «Nous avons découvert avec quelle rapidité les galaxies perdent leur gaz, compte tenu de leur masse, de la distribution de matière noire et du taux de formation de supernovas», explique Gonçalves.

Dans tous les scénarios, les simulations montrent que les supernovas créent des vents qui commencent à expulser le gaz de la galaxie 100 millions d’années après leur naissance. Dans le cas le plus extrêmes, 88 % du gaz a été éliminé en 1 milliard d’années. «La plupart des halos finissent avec peu d’étoiles et deviennent invisibles», explique le chercheur. «Les galaxies que nous observons aujourd’hui se sont formées dans des scénarios où le vent était plus faible».

Les chercheurs pensaient que le gaz réchauffé par les supernovas surmontait l’attraction gravitationnelle et s’échappait de la galaxie poussé par beaucoup d’énergie, comme une fusée lancée dans l’espace, mais ils ont découvert que ce n’était pas toujours le cas. En effet, 5 % à 40 % du gaz réchauffé par les explosions s’échappait en moins de 200 millions d’années, même sans énergie pour vaincre la gravité, tout en flottant dans un gaz plus froid et plus dense qui l’entourait. «C’est comme un ballon rempli d’hélium qui s’élève seul, sans être lancé», explique Gonçalves.

Ce phénomène connu sous le nom d’instabilité de Rayleigh-Taylor, est le même qui est responsable de l’élévation en forme de champignon du gaz chaud dans une explosion atomique. Dans la simulation brésilienne, les supernovas créent, autour d’elles, des bulles de gaz chaud qui migrent vers les couches les plus externes et froides de la galaxie, s’étendant, se fondant et formant des canaux par lesquels le gaz s’échappe. Un résultat importante de ce phénomène est que la composition du gaz qui s’échappe des galaxies naines n’est pas la même que celle du gaz primordial, composée d’éléments chimiques légers (hydrogène et hélium), les premiers à apparaître dans l’univers. Le gaz qui s’échappe est enrichi d’éléments chimiques plus lourds, crées dans les explosions de supernovas.

«Ces résultats sont intéressants et devront être confronté aux observations pour vérifier si la théorie est correcte», affirme l’astrophysicien Reinaldo de Carvalho, de l’Institut National de Recherches Spatiales et spécialiste de l’évolution des galaxies. Les chercheurs espèrent comprendre ce qui s’est passé avec les galaxies naines en analysant la composition chimique de leurs étoiles. À cet effet, ils sont en train d’analyser la Petite Ourse. Ils ont l’intention de comparer leurs conclusions avec la composition du milieu intergalactique où auraient été expulsés des éléments chimiques plus lourds.

Les projets
1. Champs magnétiques, turbulence et effets de plasma dans le milieu intergalactique– nº 2011/12909-8; Modalité Ligne régulière d’Aide au Projet de Recherche; Coordonnateur Diego Falceta Gonçalves – USP; Investissement 151 676,28 reais (FAPESP).
2. Étude numérique de plasmas magnétisés collisionnels et non collisionnels en astrophysique – nº 2009/10102-0; Modalité Ligne régulière d’Aide au Projet de Recherche; Coordonnateur Diego Falceta Gonçalves – USP; Investissement 108 750,89 reais (FAPESP).
3. Application de modèles théorico-informatiques en astrophysique – nº 2006/57824-1. Modalité Jeune Chercheur; Coordonnateur Gustavo Amaral Lanfranchi – Unicsul; Investissement 171 395,05 reais (FAPESP).

Article scientifique
Ruiz, L. O. et al. The mass loss process in dwarf galaxies from 3D hydrodynamical simulations: the role of dark matter and starbursts. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Sous presse.

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