La plus grande simulation de l'évolution des galaxies

Deux astronomes ont réalisé une des plus grandes simulations jamais effectuées en astrophysique afin de modéliser l'expansion des galaxies. A l'aide du supercalculateur japonais "Earth Simulator", qui est également utilisé en météorologie ou pour des simulations de séismes, Masao Mori de l'université de Californie à Los Angeles et Masayuki Umemura de l'université de Tsukuba sont parvenus à simuler l'évolution des galaxies depuis 300 millions d'années après le Big Bang jusqu'à aujourd'hui. Leurs résultats montrent que les galaxies pourraient avoir évolué beaucoup plus rapidement qu'on ne le pensait auparavant.


Selon le modèle "hiérarchique", les galaxies se seraient formées suivant un processus ascendant qui a commencé avec la formation de petites poches de gaz et d'étoiles qui ont ensuite fusionné pour former des systèmes plus importants. Les deux chercheurs ont simulé ce processus en utilisant un code 3D hydrodynamique puissant combiné avec un code de "synthèse spectrale" d'un plasma astrophysique afin de tenir compte de l'évolution dynamique et chimique d'une galaxie primordiale. La simulation sur "Earth Simulator" a été exécutée à ultra-haute résolution basée sur 1024 "points de grille", ce qui en a fait l'un des plus grands calculs jamais exécutés en astrophysique.

Mori et Masayuki ont posé les conditions initiales de leur simulation en se basant sur un univers froid de matière sombre, dont les paramètres ont été déterminés par les mesures du fond cosmique de micro-onde. Ces observations, réalisées initialement en 2003, avaient montré que nous vivions dans un univers plat composé de seulement 4% de matière normale, de 22% de matière sombre et de 74% d'énergie sombre, ceci en accord avec le modèle standard de la cosmologie. Les chercheurs ont alors directement comparé leurs résultats numériques avec les observations des galaxies primitives appelées émetteurs "Lyman-alpha" et galaxies "Lyman-break", que les astronomes trouvent dans les parties les plus lointaines et donc les plus anciennes de l'univers.

Leurs résultats montrent que les bulles de gaz qui se sont formées dans l'univers primordial 300 millions d'années après le Big Bang ressemblaient effectivement aux émetteurs Lyman-alpha. Après environ un milliard d'années, la simulation montre que ces galaxies se transforment en galaxies Lyman-break. Finalement, après 10 milliards d'années d'évolution, les structures du modèle ressemblent aux galaxies elliptiques actuelles.

La simulation permet également de prévoir les proportions en éléments chimiques dans une galaxie à chaque étape de son évolution, et suggère que notre Voie Lactée possède aujourd'hui grossièrement la même composition que lorsqu'elle n'était âgée que d'un milliard d'années. Jusqu'ici, on pensait que les galaxies avaient évolué progressivement et s'étaient enrichies en éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium pendant 10 milliards d'années grâce aux répétitions successives des explosions de supernovae et des processus de formation d'étoiles.

"Nos travaux montrent que la formation d'une galaxie s'effectue beaucoup plus rapidement et qu'il suffit d'un milliard d'années pour qu'une grande quantité d'éléments lourds soient produits", précise Mori.