L'étude des galaxies naines fait voir le cosmos en grand

Peu lumineuses et donc particulièrement difficiles à observer, les galaxies naines sont pourtant riches en enseignements sur l’évolution de l’Univers. Une équipe de chercheurs du Laboratoire d’astrophysique de l’EPFL (LASTRO) a étudié l’évolution de vingt-sept d’entre elles, montrant que ces objets se caractérisent notamment par des processus de formation d’étoiles d’une surprenante variété. Minutieux et détaillé, leur travail fait l’objet d’une publication dans la revue Astronomy & Astrophysics.

«Ce sont les plus petites en taille, mais aussi probablement les galaxies les plus anciennes, explique Yves Revaz, spécialiste de la dynamique galactique au LASTRO. Dans le scénario cosmologique standard, les systèmes plus grands naissent ensuite de leur fusion».

Elles ont beau être qualifiées de naines, ce sont de gigantesques objets, pesant quelques centaines de milliers à quelques millions de fois la masse du soleil. Ces galaxies sont aussi les plus riches en matière noire. Pour étudier de tels systèmes, dont les caractéristiques, la temporalité et les dimensions dépassent l’entendement humain, les chercheurs du LASTRO mettent au point des modèles numériques extrêmement sophistiqués et mènent un travail de dentelle.

Les simulations prennent en compte toutes les composantes des galaxies : gaz, étoiles et matière noire, mais également les conditions initiales de la matière présente dans l’Univers depuis ses débuts, il y a 14 milliards d’années, ainsi que le rapport entre matière noire et matière observable (dite baryonique en astrophysique). Des conditions connues grâce aux dernières missions spatiales dédiées aux signatures du Big Bang.

Pas à pas

Chaque modèle suit pas à pas la quantité de gaz - essentiellement de l’hydrogène -, le réchauffement et le refroidissement du milieu interstellaire, les phénomènes de compression et de dilatation, les générations d’étoiles successives, leur explosion sous la forme de supernovae et l’enrichissement chimique qui en découle. Les résultats sont ensuite comparés aux données observées, notamment celles recueillies avec des télescopes optiques de 8m - les plus grands à ce jour - sur les galaxies naines satellites de notre galaxie, la Voie lactée, ou de sa voisine, Andromède (M31). Formant ce que l’on appelle le Groupe Local, ces systèmes sont en effet assez proches pour que l’on puisse obtenir des informations sur la chimie et l’âge des étoiles individuelles avec une très grande précision.

L’accord entre les modèles et les observations est essentiel pour vérifier les hypothèses sur les conditions et échelles de temps de formation d’étoiles, sur la nature des objets qui ont pu ré-ioniser l’Univers, mais également sur la matière noire.

C’est la première fois que des galaxies naines sont suivies avec un tel degré de détails et dans des conditions cosmologiques, c’est-à-dire non pas en considérant des systèmes isolés, mais en considérant toutes les fusions entre les systèmes galactiques primitifs.

Excellents jalons

«L’avantage des galaxies naines, c’est qu’elles réagissent très fortement aux moindres modifications des paramètres et sont ainsi d’excellents jalons pour l’étude des galaxies en général», commente Pascale Jablonka, chercheuse au LASTRO et co-auteur de l’étude. En observant la lumière émise par les étoiles, cette spécialiste en spectroscopie et évolution chimique des galaxies a notamment pu déterminer leur composition et l’échelle de temps de leur formation.

«Sur la base de nos modèles, nous avons pu inventorier une grande variété de types d’activité stellaire, nous fournissant de précieuses indications sur les conditions qui mènent à une intensification, un ralentissement, voire un arrêt de la fabrication de nouvelles étoiles», commente Yves Revaz.

Les chercheurs ont pu montrer que les histoires de formation d’étoiles, d’une variété impressionnante pour des systèmes si petits, dépend de la densité de matière - noire et baryonique. C’est elle qui détermine si une galaxie naine gardera une activité de formation d’étoiles continue ou si elle sera rapidement interrompue. Si les naines sont diffuses, leur hydrogène devient trop chaud, s’évapore et ne peut plus continuer à former des étoiles. Si leur halo de matière noire est suffisamment dense, ces galaxies seront au contraire protégées et poursuivront leur activité.

Article scientifique: https://arxiv.org/abs/1801.06222

Pour voir davantage de simulations: https://lastro.epfl.ch/page-153441.html