La toile cosmique, chef d'orchestre de la valse des galaxies

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L’activité et la morphologie des galaxies sont conditionnées, bien plus qu’on ne le pensait, par le réseau de filaments cosmiques qui parcourt l’Univers. C’est la conclusion d’une récente étude dirigée par le Laboratoire d’astrophysique de l’EPFL.

Les galaxies sont distribuées dans un réseau complexe de filaments, composés de matière ordinaire et matière sombre, appelé la toile cosmique. A l’intersection de ces filaments se concentrent les amas de galaxies, des structures constituées de quelques centaines, voire de milliers, de galaxies liées entre elles par la force gravitationnelle. Ces ensembles, qui sont parmi les plus denses et les plus massifs dans l'Univers, ont souvent été étudiés. Mais le rôle des filaments dans l’évolution des galaxies restait à dévoiler.

Dans ce but, une équipe internationale, dirigée par Pascale Jablonka et Gianluca Castignani du Laboratoire d’astrophysique de l’EPFL (LASTRO), a étudié l’environnement à grande échelle de l’amas de la Vierge, qui compte quelques 1500 galaxies et se situe à environ 65 millions d'années-lumière de la nôtre, la Voie Lactée. Cette recherche a déjà fait l’objet de deux publications, l’une récemment dans le journal Astronomy&Astrophysics et l’autre en automne dans l’Astrophysical Journal.

«Les propriétés des galaxies, telles que leur morphologie, leur contenu en gaz et leur activité de formation d'étoiles, sont directement influencées par leur environnement, explique Pascale Jablonka. Nous savons que lorsque celui-ci est très dense, les galaxies forment moins d’étoiles et leur forme devient plus elliptique. Mais nous voulions connaître le rôle exact que jouent les filaments dans ces transformations».

Dans ce but, les scientifiques ont analysé les propriétés des galaxies se trouvant autour de l’amas de la Vierge, un amas emblématique de l’Univers proche. L’analyse a couvert une région s’étendant jusqu’à une distance de douze fois la taille de l’amas central. Il s’agit ainsi de l'étude la plus extensive et la plus précise à ce jour sur le sujet, avec un échantillon d’environ 7000 galaxies, dont quelque 250 galaxies suffisamment massives pour que leur contenu en gaz puisse être estimé précisément, en particulier le gaz moléculaire, de l'hydrogène froid et dense, duquel se forment les étoiles. Les observations ont été réalisées grâce au radiotélescope décimétrique de Nançay en France et au télescope IRAM-30m à Pico Veleta en Espagne.

Position des filaments étudiés. © LASTRO/EPFL

Un milieu transitoire

La combinaison de ces nouvelles observations et d’un ensemble de données d'archives a révélé un changement net et progressif des propriétés des galaxies - morphologie, âge et teneur en métaux de la population stellaire, activité de formation d'étoiles et contenu en gaz - lors du transit depuis leur position essentiellement isolée vers les filaments, puis dans les amas.

Il apparait donc que les filaments agissent comme un milieu transitoire pré-conditionnant les galaxies avant qu’elles ne tombent dans l'amas. La formation d'étoiles y est déjà plus souvent réduite ou même stoppée. Les morphologies elliptiques sont plus fréquentes, et les quantités de gaz moléculaire et d’hydrogène sont moindres, attestant que les galaxies atteignent la fin de leur évolution. Les chercheurs ont pu quantifier cette mutation en fonction de la densité des filaments cosmiques: les galaxies en fin d’activité - c’est-à-dire ne produisant plus ou très peu d’étoiles – constituent moins de 20% de la population lorsqu’elles sont isolées, tandis qu’elles sont 20% à 60% dans les filaments et jusqu’à 80% au cœur de l'amas. Ces résultats ouvrent de nouveaux défis pour les modèles théoriques de formation des galaxies et leur co-évolution avec les grandes structures de l’Univers.

References

Cette recherche a fait l'objet de deux publications:

1. "Processing of gas in cosmological filaments around Virgo cluster", Astronomy & Astrophysics, Decembre 2021, G. Castignani, F. Combes, P. Jablonka, R. A. Finn, G. Rudnick, B. Vulcani, V. Desai, D. Zaritsky, and P. Salomé.

2. "Catalog and First Results on the Effect of Filaments on galaxy properties ", Astrophysical Journal, Septembre 2021, G. Castignani, B. Vulcani, R. A. Finn, F. Combes, P. Jablonka, G. Rudnick, D. Zaritsky, K. Whalen, K. Conger, G. De Lucia, V. Desai, R. A. Koo pmann, J. Moustakas, J., D. J. Norman, et M. Townsend.