Simulation de la formation d'une galaxie elliptique
Publié par Michel le 28/09/2008 à 00:00
Source: CNRS / INSU
Illustrations: Voir légendes
Par le biais de la simulation informatique menée au CEA/IRFU (1), une équipe d'astrophysiciens français appartenant au laboratoire Astrophysique interactions multi-échelles (CNRS, CEA, Université Paris 7) et au CRAL/Observatoire de Lyon (2), consolide la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée...) de formation des galaxies elliptiques selon laquelle ces dernières seraient le résultat de la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de...) de deux galaxies spirales ((voir page de discussion)) (3).

Un processus également à l'origine des amas globulaires qui les entourent. Ces travaux, publiés dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, ont été réalisés avec le supercalculateur vectoriel NEC-SX8R du CEA-Centre de Calcul Recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) et Technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :).


En tournant autour de la galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs...) elliptique, résultat de la fusion de deux galaxies spirales,
nous obtenons une vision en 3 dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre...).
On voit nettement autour de la structure centrale les amas globulaires denses et compacts.
© F. Bournaud - CEA/IRFU/CCRT.
Cliquer sur l'image pour visualiser une vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la restitution d'images animées, accompagnées ou non de son, sur un support adapté à l'électronique et non de type photochimique....) (.avi ; 53 Mo)

Les collisions entre galaxies jouent un rôle important dans leur évolution puisqu'elles peuvent les amener à fusionner. L'hypothèse affirmant que la rencontre de deux galaxies spirales peut donner naissance à une grosse galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en...) elliptique prévoit, en outre, l'apparition de très fortes perturbations gravitationnelles. Celles-ci produisent des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) de marée (La marée est le mouvement montant (flux ou flot) puis descendant (reflux ou jusant) des eaux des mers et des océans causé par l'effet conjugué des forces de gravitation de la Lune et du Soleil.) (4) qui compriment le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni...) et la poussière et déclenchent la formation d'étoiles. Si ces dernières s'organisent très souvent en groupes appelés amas ouverts qui vont ensuite lentement se dissocier, se forment également des structures nommées amas globulaires pouvant contenir jusqu'à plusieurs millions d'étoiles liées gravitationnellement.

La simulation de la collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) de deux galaxies spirales réalisée par les astrophysiciens du CEA et du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) aboutit bien à la formation d'une galaxie elliptique ainsi que d'amas globulaires. Elle reproduit ainsi parfaitement ce qui a pu être observé avec, par exemple, NGC7252, galaxie elliptique qui s'est formée suite à la fusion de deux galaxies spirales, qui est entourée non seulement de débris de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) engendrés par les effets de marée, mais également de nombreux amas globulaires.


Simulation numérique du résultat de la collision/fusion de deux galaxies spirales:
la galaxie elliptique sphéroïdale, au centre, est entourée d'un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».)
d'amas globulaires denses et compacts.
© F. Bournaud - CEA/IRFU/CCRT.

Cette simulation, dont la résolution est la plus haute jamais atteinte pour une collision entre deux galaxies, modélise les étoiles, le gaz interstellaire, et la "matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au sujet des galaxies. Différentes hypothèses...)" à l'aide de 36 millions de "particules" (5). Cette très haute définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) permet, pour la première fois, de reproduire directement la formation des amas d'étoiles avec une très grande précision. En effet, la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et...) de certains des amas observés dans cette simulation représente moins d'un millionième de la masse totale des galaxies initiales.

Une cinquantaine d'heures (L'heure est une unité de mesure  :) de calculs sur le supercalculateur vectoriel NEC-SX8R du CEA-CCRT a été nécessaire à la réalisation de cette simulation. Sans un tel supercalculateur, il aurait fallu disposer de trente ordinateurs de bureau pour pouvoir stocker tous les paramètres physiques de la simulation, et le calcul aurait duré près de deux ans.


La galaxie elliptique NGC7252 vue à travers les télescopes de l'ESO:
le résultat de la collision de deux galaxies spirales est une galaxie elliptique semblable
à celle de la simulation - en particulier en considérant le grand nombre d'amas globulaires
qui l'entoure. © P.-A. Duc/ESO


Notes:

(1) IRFU: Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) de Recherche sur les Lois Fondamentales de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.).
(2) Font partie de cette équipe:
- Frédéric Bournaud (CEA/IRFU) et Pierre -Alain Duc (CNRS), laboratoire AIM (CNRS, CEA, Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les...) 7),
- Eric Emsellem (Astronome), Centre de recherche astronomique de Lyon (CNRS, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) Lyon 1, Ecole normale supérieure de Lyon).

(3) Les galaxies spirales sont constituées d'un disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.) de gaz, poussière et étoiles avec au centre un noyau, le tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) étant entouré d'un halo diffus. Les bras spiraux présents dans le disque sont les lieux privilégiés de formation stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties à travers le monde.). Les galaxies elliptiques sont des sphéroïdes contenant principalement des étoiles avec peu de gaz interstellaire.
(4) L'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en...) mutuelle entre deux galaxies conduit à des phénomènes de marée, qui déforment chaque galaxie mise en jeu, comme le système terre-lune mais dans des proportions bien plus gigantesques.
(5) Les "particules" numériques modélisent, dans la mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.) d'un ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques permettant de manipuler des données...), les étoiles, les nuages de gaz, et la matière noire des galaxies: chaque particule représente une certaine masse, une position et une vitesse (On distingue :) dans le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) simulé sur le calculateur.


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