Comprendre · Autres galaxies
Évolution des galaxies — du gaz aux systèmes stellaires
Les bras spiraux d’une photographie sont un instantané d’une histoire de treize milliards d’années. Pour les comprendre, il faut regarder, au-delà des étoiles, le gaz dont elles naissent, le vaste halo où tout baigne — et la rétroaction par laquelle étoiles et trous noirs freinent leur propre galaxie.
Le commencement : fluctuations de densité et halos
Le fond diffus cosmologique montre l’Univers 380 000 ans après le Big Bang comme presque parfaitement uniforme — avec des écarts de densité d’un cent-millième seulement. La gravité amplifie ces écarts : les régions plus denses attirent la matière, les plus ténues se vident. La matière noire, qui ne ressent que la gravité, se rassemble d’abord en halos ; le gaz ordinaire suit, chauffé par sa chute, et doit ensuite rayonner de l’énergie pour continuer à s’effondrer. Là où il y parvient, il se refroidit, se condense et forme les premières étoiles — d’après les observations actuelles, quelques centaines de millions d’années seulement après le Big Bang. Comme le gaz qui tombe apporte presque toujours un peu de moment cinétique dont il ne peut se défaire, il se rassemble dans un disque en rotation. C’est la raison même de l’existence des galaxies spirales. ESA : Formation des structures
Du petit au grand : la croissance hiérarchique
Dans le modèle cosmologique standard, les petites structures se forment d’abord et les grandes à partir d’elles — les galaxies grandissent par fusion de halos et par le gaz qui afflue le long des filaments de la toile cosmique. Chaque grande galaxie possède donc un arbre de fusion : des dizaines de précurseurs plus petits absorbés au fil du temps. La Voie lactée en est le cas le mieux étudié. Dans les mouvements des étoiles du halo, la sonde Gaia a retrouvé les restes d’une galaxie qui a fusionné avec la jeune Voie lactée il y a environ dix milliards d’années — « Gaia-Encelade », peut-être un quart de la masse de la Voie lactée d’alors. La galaxie naine du Sagittaire se déchire en ce moment même et laisse un courant stellaire tout autour de la Galaxie. Et dans M 31, un gigantesque courant d’étoiles trahit une rencontre qui ne remonte pas à si loin. Aucun de ces événements n’est visible directement sur l’image d’une galaxie ; on les trouve dans les orbites et la composition chimique d’étoiles individuelles. Helmi et al. (2018) : Gaia-Encelade
Le « midi cosmique » est loin derrière nous : quand l’Univers avait trois à quatre milliards d’années, il se formait en moyenne dix fois plus d’étoiles qu’aujourd’hui. La courbe est schématique, d’après les mesures de Madau et Dickinson (2014) ; les événements de la Voie lactée sont des dates approximatives. Madau & Dickinson (2014)
Le cycle du gaz
Une galaxie n’est pas un récipient clos. La Voie lactée forme environ une à deux masses solaires d’étoiles par an, et à ce rythme sa réserve de gaz froid ne durerait qu’un à deux milliards d’années. Qu’elle forme pourtant des étoiles depuis dix milliards d’années n’est possible qu’avec un réapprovisionnement : du gaz afflue depuis le halo et l’espace intergalactique, souvent le long de minces filaments. En même temps, supernovæ et vents stellaires chassent du gaz hors du disque vers le milieu circumgalactique — une enveloppe de gaz chaud et ténu qui peut contenir plus de masse que toutes les étoiles de la galaxie réunies. Une partie de ce gaz se refroidit plus tard et retombe, enrichie des éléments lourds de la génération stellaire précédente. C’est de ce cycle que proviennent, en fin de compte, les éléments dont sont faites les planètes. Tumlinson et al. (2017) : Le milieu circumgalactique
Illustration générée par IA : l’apport de gaz au disque et le gaz qui s’en échappe représentent le cycle de formation stellaire et de rétroaction. Les flux sont rendus visibles pour l’explication ; couleurs et proportions sont illustratives. Cette image est générée par IA — ce n’est pas une photographie mais une visualisation.
Rétroaction : étoiles et trous noirs règlent le débit
Sans frein, le gaz d’une jeune galaxie se transformerait presque entièrement en étoiles en peu de temps. On observe le contraire : seule une petite fraction du gaz d’un halo finit un jour en étoiles. La raison s’appelle rétroaction. Dans les petites galaxies, les vents des étoiles massives et les explosions des supernovæ suffisent à chauffer le gaz et à l’expulser du puits gravitationnel peu profond — les galaxies naines perdent ainsi souvent leur gaz pour toujours. Dans les galaxies massives, un autre mécanisme prend le relais : le trou noir central. Tant qu’il avale du gaz, son voisinage rayonne comme noyau actif de galaxie et libère d’énormes quantités d’énergie qui maintiennent chaud le gaz du halo et l’empêchent de se refroidir pour former de nouvelles étoiles. Que la masse du trou noir soit étroitement liée à celle de la région centrale qui l’entoure indique que les deux ont grandi ensemble. Ce n’est qu’avec cette rétroaction que les simulations concordent avec le nombre et la luminosité des galaxies observées. Kormendy & Ho (2013) : Les trous noirs et leurs galaxies
Bleu, vert, rouge : quand la formation stellaire s’éteint
Si l’on porte pour de nombreuses galaxies la couleur en fonction de la luminosité, deux nuages apparaissent. Le nuage bleu contient les galaxies à disque en pleine formation stellaire ; la séquence rouge, les elliptiques et les lenticulaires où elle s’est éteinte. Entre les deux s’étend une vallée verte peu peuplée — et sa faible population dit quelque chose d’important : le passage du bleu au rouge est relativement rapide, un à deux milliards d’années, sinon davantage de galaxies s’y attarderaient. Ce qui déclenche ce passage s’appelle l’extinction (quenching). Les galaxies massives s’en chargent de l’intérieur, par leur trou noir. Les plus petites perdent plutôt leur gaz de l’extérieur — en tombant dans un amas de galaxies, où le gaz chaud de l’amas balaie le disque froid. C’est pourquoi les elliptiques abondent au cœur des amas et les spirales y sont rares. Strateva et al. (2001) : Bimodalité des couleurs des galaxies
Sans rencontre : l’évolution interne
Même une galaxie laissée longtemps tranquille ne reste pas telle qu’elle est. Les disques sont dynamiquement actifs : ils forment des barres, des bras spiraux et des anneaux, et ces structures redistribuent le moment cinétique. Une barre pousse le gaz vers l’intérieur, où il forme de nouvelles étoiles dans un anneau nucléaire ou alimente un trou noir central ; en des milliards d’années, elle peut ainsi bâtir un petit « pseudo-bulbe » en forme de disque, distinct des bulbes classiques nés de fusions. On appelle cette voie lente évolution séculaire. NGC 6951 en est un cas d’école : une spirale barrée avec un anneau de jeunes amas stellaires de quelques centaines de parsecs seulement autour d’un noyau actif. Notre image montre la barre et les bras qui en partent ; l’anneau est en dessous, non résolu dans le centre brillant. Une galaxie peut donc croître à l’extérieur par afflux de gaz pendant que son centre se réorganise par une tout autre voie. Kormendy & Kennicutt (2004) : Évolution séculaire
Ce que nos images montrent — et laissent ouvert
Une image à large bande montre la répartition de la lumière stellaire et, sous forme de nœuds roses, les lieux de formation stellaire en cours. Elle ne montre ni le gaz, ni le halo, ni les mouvements, ni l’âge des régions individuelles. Que NGC 6946 montre plus de formation stellaire dans ses bras que M 31 dans les siens concorde avec les taux mesurés — la « galaxie du Feu d’artifice » a livré dix supernovæ au cours du dernier siècle, plus qu’aucune autre galaxie connue, expression directe de son rythme. Mais lire le nombre de jeunes étoiles dans la luminosité d’un nœud serait surinterpréter. Et NGC 6951 et NGC 6952 désignent le même objet — une double entrée du catalogue, non une paire en fusion.
Quelques points à connaître :
- L’Univers a passé son sommet. Le taux de formation stellaire a chuté d’environ un ordre de grandeur depuis le midi cosmique. La plupart des étoiles qui naîtront jamais existent déjà — même si des galaxies comme la Voie lactée continueront pendant des milliards d’années.
- Les grandes galaxies ont fini tôt. Les systèmes les plus massifs ont formé leurs étoiles le plus tôt et se sont arrêtés le plus tôt ; les petites galaxies sont encore actives aujourd’hui. Ce « downsizing » contredit l’image naïve selon laquelle le grand prend le plus de temps.
- Les étoiles ne se recyclent pas, le gaz si. Une étoile garde sa composition. Mais le gaz qu’elle restitue à la fin est enrichi en éléments lourds — chaque génération démarre avec un peu plus de carbone, d’oxygène et de fer que la précédente.
- Les plus vieilles étoiles de la Voie lactée ont presque l’âge de l’Univers. Dans le halo et les amas globulaires, on trouve des étoiles de plus de douze milliards d’années, nées avant même que le disque existe.
- Un système rouge n’est pas mort. Les galaxies elliptiques ne forment presque plus d’étoiles, mais leurs vieilles étoiles brilleront encore pendant des milliards d’années. « Red and dead » est un jargon, pas une description.
Dans mon propre ciel
La galerie montre des galaxies à différents points de cette histoire — de l’usine à étoiles à la naine éteinte :
