Chasse aux fossiles galactiques

Lorsque les astronomes scrutent les cieux, ils regardent également dans le temps. Ainsi, lorsque les scientifiques observent une galaxie située à un milliard d’années-lumière de la Terre, ils voient également comment le système stellaire est apparu à un milliard d’années dans le passé, car la lumière de la galaxie a mis un milliard d’années à atteindre leurs instruments. Cela transforme les télescopes en machines à voyager dans le temps qui permettent aux astronomes d’explorer l’histoire cosmique ancienne. Cependant, contrairement aux archéologues terrestres qui étudient les vieilles roches, les astronomes examinent des fossiles faits de lumière primordiale.

• Guide du débutant sur l’Univers LCDM
  Est-il possible que des galaxies lointaines s’éloignent de nous plus rapidement que la vitesse de la lumière? Regardez une image précise de l’Univers basée sur le modèle Lambda de Matière Noire froide, le meilleur modèle cosmologique actuel.
• Source : Projet Cassiopée

L’origine et l’évolution des galaxies sont deux des domaines les plus activement étudiés en astrophysique. Un poids écrasant de preuves a convaincu les cosmologistes que l’Univers est apparu à un moment précis, il y a environ 13,6 milliards d’années, sous la forme d’une boule de feu super chaude et super dense de rayonnement énergétique connue sous le nom d’événement du Big Bang.
Aujourd’hui, le modèle Lambda de Matière Noire Froide (ou LCDM) est la dernière incarnation de notre compréhension de l’origine du Cosmos. Il représente une amélioration de la théorie du big bang en posant que la majeure partie de la substance physique dans l’Univers est constituée d’un matériau appelé matière noire.
Bien qu’elle ne puisse pas être détectée par l’instrumentation actuelle, les cosmologistes pensent que la matière noire est composée de particules froides se déplaçant lentement qui n’émettent pas de rayonnement électromagnétique ou ne diffusent pas de lumière, elles semblent donc également sombres. Cependant, l’effet gravitationnel de la matière noire peut être observé sur les matériaux visibles, tels que les galaxies et les observations du rayonnement de fond.

• Univers primitif touffu
  De petits halos de matière noire peuvent être vus fusionnant dans cette simulation informatique de l’Univers primitif basée sur la théorie Lambda de la Matière Noire froide. Au fil du temps, les fusions produisent une proto-galaxie.

Le Lambda au nom de la théorie explique la présence d’énergie noire, une force hypothétique qui semble accélérer l’expansion de l’Univers. La théorie a été initialement publiée en 1984 par les physiciens américains Joel R. Primack, George Blumenthal et Sandra Moore Faber. Aujourd’hui, il est également référencé comme le modèle cosmologique standard.

Selon la théorie LCDM, l’Univers était intensément chaud, remarquablement lisse et essentiellement homogène immédiatement après le Big Bang. Cependant, de petites fluctuations de densité, moins d’une partie sur cent mille, ont commencé à apparaître et à croître. Lorsque l’univers s’est refroidi, des amas de matière noire ont commencé à se condenser et des molécules de gaz se sont formées à l’intérieur d’eux. À ce stade, l’univers était presque exclusivement composé d’hydrogène, d’hélium et de matière noire. C’est la période où le rayonnement de fond cosmologique micro-ondes a été émis.
Le gaz et la matière noire ont été attirés gravitationnellement vers les zones de densité plus élevée et ont formé des halos qui représentaient les germes des premières galaxies. Comme les halos sont devenus plus massifs, ils ont commencé à s’effondrer sous leur propre poids et sont devenus des proto-galaxies. Peu de temps après, l’hydrogène et l’hélium gazeux dans les halos ont commencé à produire les premières étoiles. Puis, au fil du temps, les halos ont fusionné pour former des galaxies de plus en plus grandes.

• Les anneaux et les arcs ne sont pas la seule preuve d’une fusion de satellites anciens. Cette animation simule la fusion de nombreuses galaxies compagnons et démontre que les panaches, les lances, les pointes et les coquilles qui entourent la galaxie primaire sont également possibles.
• Crédit d’animation de modèle: James Bullock (UC Irvine)

Les simulations informatiques ont permis aux théoriciens de suivre l’évolution de la matière dans l’Univers depuis peu de temps après le Big Bang jusqu’à récemment. Ces simulations soutiennent que la formation de galaxies en présence de matière noire froide se produit de manière hiérarchique – les premières galaxies à se former sont de petites naines et celles-ci fusionnent ensuite pour former des systèmes stellaires de plus en plus grands. Par conséquent, les grandes galaxies comme la Voie lactée doivent avoir consommé au moins une centaine de petites galaxies naines au fil du temps. Cependant, beaucoup d’entre elles peuvent être si bien mélangées aux étoiles de leur galaxie parente qu’elles ne sont plus facilement identifiables.
Fusions Faites dans le ciel
La manifestation la plus spectaculaire de ce processus peut être la coalescence de galaxies de taille comparable dans un processus connu sous le nom de fusion majeure. Ces événements entraînent souvent la destruction du motif en spirale dans les deux galaxies qui fusionnent. Les fusions majeures peuvent également déclencher des sursauts d’étoiles. De tels événements ont été relativement rares au cours des derniers milliards d’années et seul un faible pourcentage de grandes galaxies sont impliquées dans une fusion majeure en cours à tout moment.

Cependant, les fusions mineures impliquant la perturbation d’une galaxie satellite naine par un compagnon beaucoup plus massif devraient être beaucoup plus fréquentes. Selon le modèle LCDM, des fusions mineures devraient encore avoir lieu aujourd’hui. Étant donné que le disque stellaire du partenaire le plus important n’est pas détruit lors d’une fusion mineure, des signes d’événements récents ou en cours devraient être apparents autour de nombreuses spirales, le type de grande galaxie le plus courant.
Chapelure Cosmique

• Galaxie naine du Sagittaire
  Le courant de marée du Sagittaire de la Voie Lactée s’étend du “noyau” dense de la naine du Sagittaire, s’enroule autour de la galaxie et descend à travers la position du Soleil.
• Crédit d’animation David Law / Université de Virginie

Le flux et le reflux des marées sont créés lorsque la Lune attire différemment notre planète et ses océans. De même, une grande spirale déforme une galaxie satellite en orbite en exerçant une traction plus forte d’un côté que de l’autre. Dans le processus, certaines étoiles du satellite sont enlevées comme une traînée de chapelure qui laisse un enregistrement fossile sous la forme d’une structure de marée stellaire. Lors de leur fusion, les étoiles d’une galaxie satellite peuvent être tirées dans de longs ruisseaux, déposées dans de vastes coquilles de débris ou balayées dans d’énormes structures en forme de parapluie qui entourent la galaxie mère et restent détectables pendant plusieurs milliards d’années comme une gigantesque relique cosmique.
Des preuves du premier flux stellaire ont été découvertes dans la Voie Lactée au cours des années 90.Connue sous le nom d’Elliptique Naine du Sagittaire, cette petite galaxie satellite est en orbite sur une trajectoire perpendiculaire au large plan stellaire de la Voie Lactée, ce qui la fait traverser notre galaxie. À chaque passage à travers le disque, les étoiles sont enlevées formant un mince filet.
Depuis la découverte de la galaxie naine du Sagittaire, plus de 15 flux d’étoiles ont été identifiés dans le halo notre galaxie d’origine et 4 ont été découverts dans la galaxie d’Andromède, notre plus proche voisine galactique.
Cependant, les preuves de courants de marée au-delà du groupe local ont été pour la plupart anecdotiques jusqu’à récemment.

• Galaxie dans une bulle. NGC 3521 est situé à environ 35 millions d’années-lumière de la distance vers la constellation du Lion. Cette nouvelle image en profondeur représente plusieurs coquilles de débris qui témoignent de fusions antérieures avec une ou plusieurs galaxies satellites.
• Crédit photo : R. Jay GaBany Cosmotography.com

Au-delà du Groupe local
Depuis six ans, le Dr David Martínez-Delgado de l’Institut Max Planck d’astronomie dirige une équipe internationale d’astronomes professionnels et amateurs à la recherche de flux stellaires autour de huit spirales proches du Groupe local en analysant des images ultra-profondes produites avec des instruments de taille modeste disponibles dans le commerce. Leurs efforts ont conduit à la découverte de six vastes structures stellaires entourant plusieurs des galaxies étudiées. Ces caractéristiques jusque-là non détectées ont été interprétées comme des débris de satellites perturbés par la marée. En outre, leurs recherches ont confirmé et clarifié plusieurs énormes caractéristiques stellaires qui avaient déjà été rapportées mais jamais interprétées comme des preuves fossiles de fusions mineures.

• La galaxie Parapluie, NGC4651, est située dans la constellation des Bérénices du Coma et située à environ 35 millions d’années-lumière de notre planète. Cette nouvelle vue montre des preuves de fusions antérieures avec une ou plusieurs galaxies satellites.
  La coquille de débris stellaires apparemment percée par une étroite “lance” de marée est conforme aux prédictions basées sur le modèle standard.
• Crédit photo : R. Jay GaBany Cosmotography.com

L’ensemble des galaxies présentait des caractéristiques inattendues et très diverses telles que de grandes caractéristiques circulaires ressemblant au flux du Sagittaire de la Voie Lactée, des coquilles éloignées et des nuages géants de débris de marée ainsi que d’énormes caractéristiques ressemblant à des jets émergeant des disques galactiques. Avec les restes de compagnons déjà perturbés, les observations ont également capturé des satellites survivants pris en flagrant délit de perturbation des marées.
Plus tôt en 2011, une nouvelle image de NGC 3521 a été réalisée, ce qui améliore les données initialement recueillies pour le relevé. Situé à 35 millions d’années-lumière de notre planète vers la constellation septentrionale du Lion, ce système stellaire a été classiquement classé comme galaxie floculante en raison de l’énorme quantité de matériau obscurcissant partiellement sa structure en spirale.
Cependant, la nouvelle image ultra-profonde révèle des preuves d’une ou plusieurs fusions antérieures avec des galaxies naines qui ont laissé des sous-structures discernables, telles qu’un nuage de débris presque sphérique visible sur son côté est et un grand nuage allongé à l’ouest. Les deux représentent des coquilles de débris appartenant à une structure semblable à un parapluie semblable à celle que l’on voit sur les images de Ngc 4651. Mais, leur apparence plus lâche suggère qu’ils se sont accrétés beaucoup plus loin dans le passé. De plus, la galaxie est enveloppée d’une bulle de multiples coquilles de débris qui peuvent représenter une preuve supplémentaire de fusions anciennes.
Il a également été démontré que d’autres galaxies floculantes possèdent des restes de flux stellaires, comme NGC 5055 (M63), ce qui conduit certains à spéculer que ce phénomène pourrait être lié à des fusions mineures antérieures.
Une comparaison avec des simulations informatiques a confirmé l’extraordinaire variété de structures détectées par l’équipe Delgado. L’existence des caractéristiques de marée autour des galaxies lointaines qui semblent normales, sous tous les autres aspects, et leur correspondance avec les simulations LCDM constituaient une nouvelle preuve que le modèle standard s’applique également à une galaxie lointaine similaire à la Voie lactée.
Comme les archéologues cosmiques, les astronomes fouillent la lumière ancienne pour découvrir la vérité sur la naissance et le développement des galaxies. Les flux stellaires, reliques du processus de fusion hiérarchique prédit par la théorie LCDM, ont été identifiés pour la première fois dans la Voie Lactée et dans d’autres galaxies du Groupe local. Maintenant, des structures similaires ont été observées dans des galaxies beaucoup plus lointaines. Combinées, ces observations soutiennent la meilleure théorie actuelle expliquant comment l’Univers, et tout ce qui s’y trouve, est né et a évolué jusqu’à nos jours.
Cependant, le livre des connaissances scientifiques est écrit sur des pages à feuilles mobiles qui sont révisées, triées et parfois supprimées au fil du temps lorsque de nouvelles informations sont déterrées. Par conséquent, contrairement aux fossiles liés à la terre, rien de cosmologique ne doit être considéré comme gravé dans la pierre car il y a toujours quelque chose de nouveau qui se révèle juste au-dessus de notre horizon.
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