La formation des galaxies

La connaissance des tout débuts de l'histoire des galaxies est empêchée du fait que les zones de l'Univers où l'on pourrait les observer sont aux limites des possibilités des instruments actuels. Deux théories principales, de nos jours, rendre compte de l'histoire des galaxies: l'une, dite la "théorie de la co-évolution", qui lie galaxies et trous noirs; l'autre, la "théorie du scénario de formation brusque d'étoiles sur la base de collisions", pense que les galaxies se forment sur la base de la fusion de groupes stellaires plus petits. Deux notions complémentaires -le rôle de la matière noire, le rôle, dans tous les cas, des collisions et fusions- viennent s'ajouter à ces théories

Ce champ de l'astronomie est encore largement en train d'évoluer car les tout débuts des étoiles et des galaxies sont encore inacessibles, ou juste à la limite des instruments d'aujourd'hui. Un scénario acceptable pour l'évolution des galaxies peut se référer à ce qui a été exprimé lors du 21ème Symposium National de l'Espace, à Colorado Springs, au cours duquel une maquette du futur nouveau télescope spatial, le "James Webb Space Telescope", était présentée. On pense que les premières étoiles se sont formées du fait de l'effondrement des nuages d'hydrogène et d'hélium. Ces premières étoiles ne vécurent que quelques millions d'années et elles explosèrent rapidement en supernovas, lesquelles produisirent, de plus, des trous noirs. Ces évènement supernova, par ailleurs, commencèrent d'enrichir l'Univers de ses premiers éléments lourds, comme le carbone, l'oxygène et le silicium, formant ainsi la base des générations suivantes d'étoiles et de planètes. C'est cette accumulation de ces étoiles de première et deuxième génération, de leurs trous noirs et de nuages de gaz, qui mena ensuite à la formation des premières "proto-galaxies". Là, au centre de ces premiers groupements d'étoiles, le gaz, les étoiles, les trous noirs et autres restes stellaires s'agrégèrent, donnant naissance à des trous noirs massifs munis de deux "jets" très énergétiques (lorsqu'un de ces "jets" est pointé vers nous, cela donne un quasar). Puis, les collisions et les fusions de ces galaxies primitives finirent par former les galaxies telles que nous les connaissons. On pense que les galaxies spirales se construisent lorsque l'afflux de matériau est fluide -et se compose surtout de gaz- alors que les galaxies elliptiques sont dues à des évènements plus brutaux. On pense aussi maintenant que la "matière noire" est un ingrédient nécessaire de la formation des galaxies et des quasars. Ce suvol de comment les galaxies sont apparues et ont évolué n'est pas, de fait, en contradiction avec les détails qui suivent

La plus récente conception de la formation des galaxies
La mission Galex, de la NASA, dans l'ultra-violet, en 2007, est arrivée à la conclusion qu'une "théorie de l'accroissement par nourrissement" qui est correcte pour rendre compte de comment les galaxies évoluent. Selon cette vue, une galaxie jeune débute sous forme d'une galaxie spirale, qui fabrique des étoiles à un rythme élevé. Puis, elle fusionne avec d'autres spirales ou irrégulières -ce qui mène à quelques épisodes supplémentaires de formation d'étoiles puis, enfin, la galaxie devient une galaxie elliptique (du fait de l'épuisement des ressources en gaz et poussière voire de l'interruption de la formation d'étoiles par le trou noir galactique). Une conséquence essentielle de la découverte de ce schéma est que les astronomes ne se réfèrent plus aux galaxies selon leurs formes, comme c'était le cas jusqu'à présent, mais, désormais, par leurs couleurs: les galaxies bleues, petites ou irrégulières; les galaxies rouges, grandes et elliptiques. Cette découverte, de plus, a permis d'affirmer qu'une catégorie intermédiaire de galaxies -en quelque sorte des galaxies "adolescentes"- permettait la transition entre les spirales et les elliptiques. Certaines, d'ailleurs, se transforment rapidement en elliptiques alors que d'autres restent longtemps dans leur état de galaxies intermédiaires image NASA/JPL-Caltech
de gauche à droite: une galaxie jeune et bleue, une galaxie de transition et une elliptique

Les premières étoiles et galaxies: vers 200 millions d'années après le Big Bang

On commence d'admettre que les étoiles et les galaxies ont commencé de se former à un taux important dès très tôt dans l'Univers. Ces débuts eurent lieu dès avant la fin de l'"âge sombre" -ces temps commençant 400 millions d'années après le Big Bang et pendant lesquels l'Univers est essentiellement obscur du fait que l'hydrogène neutre bloque la lumière des premiers objets. De premières étoiles ont été observées dès 200 millions d'années après le Big Bang! La première galaxie, elle, a été observée à 1 milliard d'années après les débuts de l'Univers, à 12,7 milliards d'années-lumière de nous! C'est un groupe d'1 million d'étoiles, d'une taille de 1/20ème de notre Galaxie. D'autres premières galaxies semblables ont été trouvées en 2007, petites et composées d'étoiles bleues, jeunes et actives qui transforment l'hydrogène et l'hélium en éléments plus lourds. Ces galaxies des origines sont les blocs de base à partir desquels se formeront les galaxies suivantes. C'est en leur sein que se forment les premières étoiles. On pense que la matière noire joue un rôle dans ces processus: on voit, en effet, ces galaxies primitives fusionner en des galaxies plus grandes au sein de halos de matière noire! Ces fusions amènent un plus fort taux de formation d'étoiles. La théorie selon laquelle on pensait que les galaxies se formaient par accrétion lente (la "Central Quiescent theory" en anglais), a maintenant été complètement abandonnée. Les étoiles qui se forment successivement, dans cet environnement de formation d'étoiles, deviennent progressivement de plus en plus bleues à chaque génération, du fait qu'elles bénéficient des éléments lourds fabriqués par la première génération d'étoiles, essentiellement de l'hélium. Les études les plus récentes montrent que ces galaxies primitives de petite taille peuvent se transformer, par collision, soit en elliptiques, soit en spirales

Les galaxies naines que l'on peut encore observer aujourd'hui dans l'environnement des grandes galaxies sont maintenant considérées comme étant des restes des éléments de base qui ont contribué à les construire. Ainsi, beaucoup de ces galaxies naines se trouvent, relativement invisibles, dans les amas de galaxies. Ces galaxies naines sont de la taille du Petit et du Grand Nuage de Magellan, ces galaxies satellites de la Galaxie, et elles sont probablement l'équivalent des galaxies primitives apparues aux tout débuts de l'Univers
Une étude, publiée en 2007, par ailleurs, a découvert les galaxies les plus anciennes jamais observées: elles se trouvaient à 500 millions d'années après le Big Bang et elles font sans doute partie de ces tout premiers objets de l'Univers qui ont commencé de ré-ioniser celui-ci aux époques de l'"âge sombre"!

Les galaxies commencent de se former dans les filaments de l'Univers
Une avancée récente -2008- de la connaissance de la formation des galaxies permet de penser que les galaxies commencent de se former dans les filaments de l'Univers puis qu'elles se déplacent vers les noeuds de ces filaments, là où se trouvent les amas de galaxies
On sait, en effet, aujourd'hui, que l'Univers ressemble à un vaste ensemble de filaments, lesquels se joignent à des noeuds. Le tout donne un Univers qui ressemble, pour employer cette image, à une vaste éponge

L'ère des quasars: à 1 milliard d'années après le Big Bang

Le télescope spatial Chandra de la NASA -qui travaille dans les rayons-X- a observé qu'un quasar, qui se trouve à 1 milliard d'années après le Big Bang, abrite en son centre un trou noir supermassif, comme le font les autres quasars, lesquels sont cependant plus anciens. Cette découverte est importante car elle est la preuve que tous les quasars, quel que soit leur âge, sont alimentés par des trous noirs supermassifs. Comment de tels trous noirs peuvent-ils apparaître aussi rapidement dans l'Univers? Il se pourrait qu'ils soient le résultat de la fusion de milliers de trous noirs stellaires, qui, eux-mêmes, résultaient de l'explosion d'étoiles massives en supernovas. Le trou noir du quasar SDSSp J1306 a une taille d'1 milliard de masses solaires! Tous ces trous noirs ont une structure semblable: la matière qui tombe vers leur centre donne naissance un disque d'accrétion en rotation rapide et une "atmosphère" chaude (une "couronne"). Une partie des rayons-X à haute énergie que l'on observe de ces évènements, sont dûs à des photons optiques, ultra-violet et rayons-X, à basse énergie, qui viennent du disque d'accrétion et qui se heurtent aux électrons chauds de la couronne. Les photons, ensuite, sont accélérés en photons rayons-X de haute énergie. les termes, sur l'illustration jointe, en anglais, signifient: "Torus", anneau, "Accretion Disk", disque d'accrétion, "Corona", couronne, "Black Hole", trou noir. image: X-ray: NASA/CXC/D.Schwartz & S.Virani; illustration: CXC/M.Weiss

Une étude récente montre qu'un boom de formation de galaxies a eu lieu aux alentours de 900 millions d'années après le Big Bang (alors qu'à peine auparavant, on n'observe rien de semblable). Il semble probable que l'on puisse lier lier ce boom à l'"ère des quasars". Les galaxies, vers 1 milliards d'années après le Big Bang, sont des galaxies naines, qui produisent des étoiles à un rythme dix fois plus élevé que les galaxies qui viennent ensuite

Les "quasars" sont des objets lointains, très brillants. On pense que ce sont des trous noirs supermassifs situés au centre de galaxies et dont la force de la lumière empêche de voir celles-ci. Selon la théorie de la co-évolution, les trous noirs et les galaxies se développent en interaction, étant en compétition, de plus, pour prendre la matière des nuages de gaz des origines de l'Univers. Les trous noirs pourraient aussi être apparus au sein des galaxies primitives de la période précédente mais ils ne deviendraient actifs qu'au cours de cette seconde période. Comme les trous noirs supermassifs actuels, les trous noirs des quasars sont, à 75%, enfouis dans d'épaisses enveloppes de poussière. Une plus forte corrélation, par ailleurs, a été établie entre la taille des trous noirs et celle des halos de matière noire. On trouve aussi, au cours de cette deuxième époque, des "galaxies infra-rouges", lesquelles forment des étoiles à un rythme important. La vie moyenne du disque d'accrétion des trous noirs stellaires est d'à peu près 100 millions d'années (certaines conditions locales réduisent parfois cette durée à 2000 ans seulement). L'époque continue aussi d'avoir des "galaxies-blocs de base", comme aux débuts de l'Univers et certaines, observées par le télescope Hubble sont réellement minuscules -100 ou 1000 fois plus petites que notre Galaxie! Beaucoup semblent distordues, ce qui est probablement un signe qu'elles sont en interaction les unes avec les autres. Le Spitzer Space Telescope qui a travaillé dans l'infra-rouge sur ces périodes montre aussi que la plupart des galaxies possèdent un trou noir galactique supermassif -et que donc les galaxies de type quasar seraient beaucoup plus nombreuses que prévu. Enfin, une autre découverte récente pourrait être que ces trous noirs supermassifs des débuts pourraient être, autant que les supernovas, des "fabricants" de poussière

La période des proto-galaxies: entre 1,4 et 4,6 milliards d'années après le Big Bang

Une nouvelle variété de quasars? Le télescope spatial de la NASA dans l'infrarouge, le Spitzer Telescope a récemment permis -la découverte a été rendue publique en mars 2005- de découvrir ce qui pourrait être une nouvelle variété de quasars, à une distance d'approximativement 11 milliards d'années-lumière. Elles brillent comme 10 milliards de milliards de Soleils. Ces quasars sont ensevelis au centre de galaxies très poussiéreuses. Des galaxies comparables en poussière -mais pas en luminosité- pourraient exister beaucoup plus près de la Terre

Vient ensuite ce qu'on pourrait appeler la période des proto-galaxies. Les proto-galaxies sont des objets compacts, qui forment des étoiles au rythme le plus important de toute l'histoire de l'Univers. Ces galaxies se groupent en amas -ou plutôt en "proto-amas"- de galaxies. Ces "galaxies-enfants", énergétiques, s'y regroupent autour une "pré-galaxie" radio massive, qui émet, à partir de son trou noir supermassif, de grands jets de matière. Notre propre Galaxie est apparue à cette période, il y a 10 milliards d'années. Au cours de cette période, les galaxies infrarouges de l'époque précédente ont mûri et, bien qu'elles ne produisent plus d'étoiles, elles représentent encore jusqu'aux deux-tiers des étoiles de l'époque. Un des mystères de ces galaxies infrarouges est qu'elles ne se sont pas développées par fusion, mais comme si elles avaient eu beaucoup de temps pour former des étoiles. Les quasars continuent d'être actifs et c'est même à cette époque qu'ils sont le plus nombreux (vers 3 millions d'années après le Big Bang). Cela pourrait signifier que les galaxies ont connu, du fait de collisions fréquentes, plusieurs phases quasar. D'un autre côté, on pense que les premières galaxies ont été détruites, en moins de 2 milliards d'années, par le souffle des explosions en supernovas de leurs étoiles de première génération. Il est possible que les premiers amas de galaxies aient commencé à se former dès 3 milliards d'années après le Big Bang, atteignant leur maturité 2 milliards d'années plus tard. Leurs galaxies, à cette époque, sont elliptiques; elles contiennent des étoiles rouges et elles sont déjè vieilles de plusieurs milliards d'années. Il est évident que la vie des galaxies est essentiellement définie par les interactions qui ont lieu entre elles -dans les amas- et par les interactions qui ont lieu entre elles et le gaz des amas. Les deux causes déclenchent les processus de formation des étoiles. Il est aussi possible que des galaxies dites "starburst galaxies" ("galaxies avec poussées d'étoiles") produisent des étoiles à un taux très important au cours de cette période (4000 par an contre 10 pour notre Galaxie)

La fusion entre galaxies est un acteur évident de l'histoire des débuts de l'Univers, il y a 10 à 12 milliards d'années. Les collisions de galaxies amènent beaucoup de gaz vers le centre de l'évènement, déclenchant à la fois un fort épisode de formation d'étoiles (1 étoile est créée chaque jour, soit 100 fois plus que le rythme actuel dans notre Galaxie) et la fusion des trous noirs des galaxies qui entrent en collision (contribuant ainsi à l'augmentation du nombre de ceux-ci dans l'Univers). L'afflux continuel de gaz continue de contribuer à encore plus d'énergie dans la collision et, finalement, cela mène à la création d'un quasar. Cela, d'ailleurs, est cohérent avec l'observation que l'on fait, à l'époque actuelle, de la relation entre la masse totale des étoiles des renflements centraux des galaxies et la masse des trous noirs galactiques. Les quasars ainsi formés, ensuite, nettoient le centre de l'évènement fusionnel du gaz qui y tombe, par le biais de leurs "super-vents" galactiques, lesquels repoussent le gaz jusqu'à des dizaines de milliers d'années-lumière. image NASA/CXC/IoA/D.Alexander et al.

Trous noirs et galaxies-hôtes
Une étude de 2006 a montré que l'interaction entre une galaxie et son trou noir a comme conséquence que, lorsque le trou noir atteint une taille critique par rapport à la galaxie-hôte, le développement du trou noir s'arrête ainsi que la formation des étoiles qui s'y déroulait. Cela est dû, à l'évidence, qu'un trou noir important est un environnement défavorable à la naissance d'étoiles, soit que les jets puissants du trou noir "soufflent" au loin le gaz et la matière dont les étoiles se forment, soit que le gaz de la galaxie qui est attiré et en mouvement vers le trou noir et donc chauffé, étant ainsi inapproprié à la formation d'étoiles

Le Grand Nuage de Magellan
Le Grand et le Petit Nuage de Magellan sont des galaxies-satellites de la nôtre. Pour ce qui est du Grand Nuage de Magellan, on pense qu'il y a 6 milliards d'années, peu de temps avant que notre système solaire ne se forme, il fut fortement perturbé par une "close encounter" -un passage gravitationnel très proche- avec la Galaxie. Le chaos qui en résulta déclencha des épisodes très massifs de formation détoiles, semblable à ce qui peut se voir dans des galaxies plus anciennes, encore plus lointaines dans le temps

Des galaxies ultra-denses à cette période de l'Univers
Des galaxies des origines, de fort poids, ont été repérées à une distance vers 11 milliards d'années. Alors qu'elles n'ont qu'une taille de 5000 années-lumiàre, elles ont une masse de 200 milliards de masses solaires -soit l'équivalent d'une galaxie spirale d'aujourd'hui. Ces galaxies ultra-denses pourraient bien être dues à l'influence de la matiàre noire sur leur formation. Elles pourraient représenter la moitié des galaxies de cette masse à cette époque de l'Univers et donc représenter une forme de type standard pour l'époque, les autres galaxies étant plus massives

Les galaxies actuelles: à partir de 4,5 milliards d'années après le Big Bang

Puis, on aboutit à ce qu'on pourrait appeler le début de l'histoire "habituelle" des galaxies. Les galaxies irrégulières sont alors en plus grand nombre qu'aujourd'hui et, d'une façon générale, les galaxies semblent être beaucoup plus nombreuses qu'aujourd'hui -entre 3 et 10 fois plus. Les galaxies deviennent alors matures et elles se répartissent en les

Les trous noirs supermassifs galactiques sont le résultat de fusions! Il semble que l'on sache, maintenant, que les trous noirs supermassifs galactiques que l'on rencontre au centre de la plupart des galaxies ne se développent pas par eux-mêmes ni qu'ils apparaissent soudainement. Ils sont, en fait, le résultat des fusions de galaxies. Comme les galaxies subissent plusieurs collisions au cours de leur vie, les trous noirs des galaxies concernées fusionnent aussi, amenant l'apparition des trous noirs supermassifs. Lorsqu'il y a collision-fusion de galaxies, l'évènement produit tellement de poussière qu'il faut d'entre des centaines de millions à 1 milliards d'années après la fusion pour que les astronomes soient capables de revoir le centre de la galaxie qui résulte de la fusion

catégories actuelles: les galaxies spirales, les galaxies elliptiques, les galaxies irrégulières. Toutes -sauf les irrégulières- sont entourées d'un halo de matière noire et de vastes nuages de gaz. Les galaxies spirales se forment par la fusion des proto-galaxies et, aussi, d'amas d'étoiles. Déjà à cette époque, le nombre des galaxies spirales barrées est important. Les galaxies elliptiques se forment par fusion de galaxies spirales (comme ces évènements ont lieu aussi bien dans des amas à forte qu'à faible densité de galaxies, la création des elliptiques doit avoir lieu sur la base de fusion à basse vitesse). Les amas de galaxies, eux, continuent de se former. Ils sont encore cependant moins nombreux et moins peuplés que ceux d'aujourd'hui, mais ils émettent plus de rayons-X. Les amas de galaxies se forment, là encore par des mécanismes de fusion: de nombreux "sous-amas" de galaxies fusionnent. Ces amas jeunes sont insérés dans de vastes nuages de gaz qui émettent dans les rayons-X. La formation des amas amènent les galaxies-membres à un développement rapide: les galaxies, dans les amas, entrent en collision, acquérant ou perdant de la matière noire, et elles forment des étoiles du fait de la pression que le gaz de l'amas exerce contre leur propre gaz. Dans de tels contextes, les étoiles atteignent le stade de supernova en à peu près 10 millions d'années! Puis la formation des étoiles et des galaxies continue. Quand arrivent 7 milliards d'années après le Big Bang, le rythme de la formation est freiné et la formation décline jusqu'à aujourd'hui. On ne manquera pas de noter la similitude, dans le temps, entre cette rupture et le fait qu'a lieu, à la même époque l'accélération de l'expansion de l'Univers. La formation des étoiles dans les galaxies se fait là où se trouve des nuages d'hydrogène, y compris dans des zones périphériques. Les "noyaux galactiques actifs" ("Active Galactic Nuclei", "AGN") continuent d'être fréquents dans les galaxies jusqu'à ce que l'Univers atteigne 60% de son âge puis ces objets deviennent plus rares. L'Univers d'aujourd'hui est essentiellement composé de galaxies sphéroïdales naines, de galaxies elliptiques naines et de galaxies elliptiques géantes. Les galaxies elliptiques sont deux fois plus nombreuses aujourd'hui qu'il y a 9 milliards d'années. Les trous noirs, eux, continuent d'être actifs et de croître dans la plupart des galaxies, sauf dans les elliptiques. Ils sont les restes des anciens quasars. De jeunes galaxies, de style blocs de base des débuts, continuent d'apparaître, certaines aussi jeunes que 500 millions d'années. L'une d'entre elles se trouve à 45 millions d'années-lumière seulement de notre Galaxie. La moitié des galaxies spirales, aujourd'hui, sont des spirales barrées. Les galaxies qui, dans les amas, ont été amenées, par la gravité, au centre de ces derniers, ont, elles, perdu leur gaz et elles ne participent plus à aucun processus de formation d'étoiles. Certaines ont même été complètement démembrées, répandant leurs étoiles et leur gaz dans l'espace intergalactique. Les amas de galaxies, aujourd'hui, contiennent entre des centaines et des milliers de galaxies, les températures dans les amas s'étageant de 10 à 10 millions de degrés. Les fusions de galaxies continuent de se produire aujourd'hui, même entre galaxies matures, aboutissant à des galaxies qui peuvent être d'une taille 10 fois celle de la Galaxie. Les fusions peuvent être du type "riche en gaz" -amenant la formation d'étoiles- ou "pauvre en gaz" -ne déclenchant pas de formation d'étoiles. Un dernier point: les galaxies naines que l'on voit dans l'amas de la Vierge trouveraient leur origine il y a 6 milliards d'années

Les galaxies spirales des galaxies elliptiques du fait des interactions qui ont lieu dans les amas La moitié des galaxies de l'Univers, aujourd'hui, sont des galaxies elliptiques pauvres en gaz, qui forment peu d'étoiles. L'autre moitié continue d'être des galaxies spirales ou irrégulières, comportant beaucoup de gaz et avec un taux important de formation d'étoiles. Il semble probable que ce soit les interactions au sein des amas de galaxies qui soit responsable de cet état des choses. Il y a 7 milliards d'années, 1 galaxie sur 5 seulement était pauvre en gaz. Les spirales étant interagies par la gravité de leurs amas, leur gaz leur sont ainsi enlevés voire leurs étoiles (qui finissent errantes et dispersées dans l'amas). On pense que ces processus durent approximativement 1 milliard d'années, au terme desquels, les galaxies elliptiques finissent par se stabiliser près du centre des amas

Données les plus récentes

• une étude récente, publiée dans le magazine scientifique "Nature" montre que la formation des étoiles a connu son pic 8,7 milliards d'années après le Big Bang, avec une différence entre les galaxies de masse faible (qui ont eu leur pic à 11,7 millards d'années) et celle de masse forte (dès 3,7 milliards d'années). Tout cela amène à penser que la formation des galaxies s'est prolongée dans le temps plus longtemps qu'on ne le pensait (on pensait que le pic de formation avait eu lieu à 5,7 milliards d'années). La revue révisait aussi, à la baisse, le rythme de formation: les galaxies se formaient alors à un rythme 10 fois le rythme d'aujourd'hui (contre les 15 à 20 fois estimés auparavant)
• on pense maintenant que les galaxies elliptiques géantes et naines sont équivalentes en termes de distribution et de formation de leurs étoiles
• les galaxies elliptiques semblent avoir moins de halos de matière noire; une explication pourrait en être qu'elles se regroupent souvent en amas, d'où que des collisions fréquentes pourraient détruire ces halos
• les preuves de l'accrétion de galaxies en fusion sur les elliptiques se voient mieux dans les rayons-X que dans le visible car les preuves dans le visible se fondent rapidement dans le fond des étoiles de la galaxie
• les processus d'accrétion rompent, par les marées gravitationnelles, les galaxies et les cannibalisent. Le mécanisme de fusion produit de longues traînées d'étoiles qui, à leur tour, permettent la naissance d'étoiles massives, à vie courte, qui se transforment rapidement en supernovas, trous noirs et étoiles à neutrons
• une étude détaillée est en cours, sur le long terme, de comment les amas de galaxies ont évolué depuis leurs plus lointaines origines jusqu'à aujourd'hui. Cela sera rendu possible par la combinaison de différentes longueurs d'ondes (ainsi le Hubble Telescope dans le visible, le Chandra Telescope dans les rayons-X, le "Very Large Telescope" pour les distances et la composition chimique, ou l'estimation dans le proche-infrarouge du rythme de formation des étoiles). Un exemple de l'impact des amas sur l'histoire des galaxies est que les collisions entre amas mêmes amène un déclin du nombre des galaxies spirales (comme, en effet, les galaxies spirales sont très nombreuses aux débuts de l'Univers, ce sont elles qui portent l'essentiel des conséquences de ces collisions)