Des modèles informatiques montrent comment les plus grandes et brillantes galaxies de l’Univers se sont formées

Dans les profondeurs lointaines de notre Univers, il y a des galaxies géantes et lumineuses qui produisent des étoiles. Notre maison, la Voie lactée, produit une à deux nouvelles étoiles chaque année, mais ces galaxies créent plus de 1000 nouvelles étoiles par an. Jusqu’à aujourd’hui la manière dont elles réalisent ce processus a été un mystère.

Ces anciennes galaxies, appelées galaxies submillimétriques (SMG) en raison des longueurs d’onde infrarouges à laquelle elles peuvent être vues, connaissent une accumulation constante de gaz pendant des millions d’années, selon un article publié dans la revue Nature. Ce gaz est poussé sur les bords des galaxies, où il devient l’ingrédient principal pour la formation de nombreux nouveaux objets stellaires, montrent des simulations informatiques.

Les résultats aident à expliquer comment les SMG produisent de nouvelles étoiles si rapidement. Les SMG sont censées s’être formées très peu de temps après le Big Bang. Cela a laissé les scientifiques perplexes, car il faut habituellement un temps très long pour que les galaxies se développent à une taille aussi massive. Personne ne savait comment ces galaxies accumulaient autant d’étoiles à une époque où l’Univers était si jeune. “Nous espérons maintenant avoir un modèle qui peut expliquer ce qui a été une source astrophysique relativement énigmatique depuis 20 ans”, a déclaré l’auteur de l’étude Desika Narayanan, professeur adjoint en astronomie pour Haverford College.

Avant cette étude, la principale théorie était qu’une SMG est le résultat d’une fusion entre deux galaxies. Il a été expliqué pourquoi les galaxies sont si lumineuses : un comptage d’étoiles doublé. “Cela a été plus ou moins la vision généralisée, mais il y a quelques problèmes tenaces», a déclaré Narayanan. D’une part, les fusions de galaxies qui ont été observées par les astronomes ont tendance à être brillantes seulement pour un laps de temps relativement court – quelques dizaines de millions d’années. Les SMG brillent 10 fois plus longtemps. En outre, les fusions de galaxies ont tendance à entraîner des galaxies relativement compactes, tandis que les SMG sont 10 fois plus grandes qu’une fusion typique.

Pour comprendre d’où viennent les SMG, Narayanan et son équipe ont modélisé comment les galaxies pourraient se former environ 2 milliards d’années après le Big Bang. En utilisant des ordinateurs, ils ont reproduit un petit morceau de l’Univers, en montrant comment il pourrait croître et évoluer sur des millions d’années. La simulation a pris en compte une variété d’équations physiques – tels que celles liées à la gravité, l’écoulement des fluides, l’évolution des étoiles, et plus encore. “Vous mettez cela dans la simulation par ordinateur et appuyez sur GO et regardez ce qui se passe”, a dit Narayanan. “En faisant cela, nous suivons les galaxies qui se forment, et à la fin de la journée nous avons eu quelques modèles de galaxies”.

Une simulation des flux de gaz dans une «galaxie submillimétrique.” (Desika Narayanan et Matthew Turk)

Au début, il était difficile de savoir à quoi ces galaxies ressemblaient; tout ce que les astronomes avaient était les caractéristiques physiques des objets, comme leurs températures ou les vitesses. Ils ne savaient pas combien d’étoiles avaient les galaxies ou comment elles brillaient. Pour corriger cela, Narayanan a appliqué ce qui est connu comme un code de transfert radiatif, qui modélise comment la lumière “coule” à travers les galaxies. Ceci a illuminé les modèles de galaxies, montrant que certaines étaient assez lumineuses pour être des SMG.

Le mouvement de la lumière a également indiqué comment les SMG étaient en mesure de créer autant de nouvelles étoiles. Parce qu’une SMG est si massive, elle a une énorme attraction gravitationnelle qui attire beaucoup de gaz à partir de l’espace intergalactique environnant. Le gaz est tiré dans la galaxie – et ensuite repoussé vers l’extérieur par la lumière émanant de toutes les étoiles. C’est une interaction connue comme rétroaction, où la lumière exerce une pression poussant sur les fluides. Ce processus entraîne lentement l’accumulation de gaz au bord galactique, agissant comme une banque d’ingrédients que la SMG peut utiliser plus tard pour former de nouvelles étoiles.

Les galaxies semblent se transformer en SMG quand elles deviennent assez massives pour tirer dans ce gaz, dit Narayanan. Elles entrent alors dans cette boucle de rétroaction qui leur permettent de remplir constamment leur réservoir de gaz. “Il est possible que toutes les galaxies de cette masse deviennent des galaxies submillimétriques” dit Narayanan.

L’explication proposée des modèles donne satisfaction pour des astronomes. “Nous pouvons former une des galaxies les plus extrêmes de l’Univers dans une simulation cosmologique et c’est en réalité une description assez précise de ce que les observateurs comme moi voient quand nous sommes au télescope”, a dit Caitlin Casey, une astronome de l’université du Texas, qui n’a pas été impliquée dans l’étude. Bien sûr, ce ne sont encore que des simulations informatiques. Joaquin Vieira, un astronome à l’université de l’Illinois, espère que les modèles peuvent être vérifiés par des données rassemblées par le grand réseau d’antennes millimétrique/submillimétrique de l’Atacama (ALMA) dans le nord du Chili.

Avec plus de données, nous pouvons acquérir une meilleure compréhension de ces objets rares dans l’Univers.

Source :  The Verge par Loren Grush