Formation et évolution des galaxies - Définition

Introduction

Chronologie du Modèle standard de la cosmologie

Cosmologie quantique (?) Ère de Planck (?) Inflation cosmique Préchauffage Réchauffage Ère de grande unification Baryogénèse Transition électro-faible Découplage des neutrinos Ère leptonique Nucléosynthèse primordiale Transition matière-rayonnement Recombinaison Découplage du rayonnement Âges sombres Formation des grandes structures Formation et évolution des galaxies Réionisation Accélération de l'expansion Destin de l'Univers : Mort thermique de l'Univers Big Crunch Big Rip

Disciplines concernées

Gravité quantique Physique des particules Relativité générale Astrophysique

L'étude de la formation et de l'évolution des galaxies s'intéresse aux processus ayant aboutis à la formation d'un univers hétérogène à partir d'une prémisse homogène, à la formation des premières galaxies, à la façon dont les galaxies changent avec le temps, et aux processus qui ont conduit à la grande variété des structures observées parmi les galaxies proches. C'est l'un des domaines de recherche les plus actifs en astrophysique.

Selon les théories de la formation des structures, on présume que la formation des galaxies s'est produite en résultat de légères fluctuations quantiques résultant immédiatement du Big Bang. Il existe un accord assez général sur l'idée que l'évolution des galaxies s'est produite en conformité avec le modèle cosmologique Lambda-CDM. C'est-à-dire que le regroupement et la fusion des galaxies constituent leur moyen d'augmenter leur masse, et peut aussi déterminer leur forme et leur structure.

Formation des premières galaxies

Pendant une certaine durée après le Big Bang, l'Univers s'est trouvé dans un remarquable état d'homogénéité, comme le montre l'observation du fond diffus cosmologique, ou CMB (pour l'anglais Cosmic Microwave Background). Ses fluctuations varient en effet de moins d'une partie pour cent mille. Il n'y avait pas ou peu de structures dans l'Univers, et donc pas de galaxies. On doit alors se demander comment l'univers uniformément réparti du CMB a pu devenir l'univers agglutiné que nous voyons aujourd'hui.

Image du réseau cosmique selon 2dF Galaxy Redshift Survey.

La théorie la mieux acceptée concernant la façon dont ces structures sont apparues veut que toutes les structures à grande échelle de l'univers que nous observons aujourd'hui se sont formées consécutivement à l'accroissement de la fluctuation primordiale de densité. Il s'agit de changements locaux minimes de la densité de l'univers initial, alors confiné dans une volume réduit. Au fur et à mesure du refroidissement de l'Univers, des agrégats de matière noire ont commencé à se condenser, puis, à l'intérieur, du gaz a commencé sa condensation. Les fluctuations primordiales ont attiré par gravitation le gaz et la matière noire vers les zones les plus denses, ce qui a engendré les graines de ce qui allait plus tard devenir des galaxies. Ces structures ont constitué les premières galaxies. A ce stade, l'Univers était presque exclusivement constitué d'hydrogène, d'hélium et de matière noire. Peu après la formation des premières protogalaxies, l'hydrogène et l'hélium gazeux dont elles étaient constituées commença à se condenser pour constituer les premières étoiles. Ainsi se formèrent les premières galaxies. En 2007, avec leur télescope observatoire W.M. Keck, une équipe du California Institute of Technology découvrit 6 étoiles en formation dans une galaxie située à 13,2 milliards d'années-lumière (mesure de distance en cosmologie (en)), et donc créées lorsque l'Univers n'était âgé que de 500 millions d'années.

Dans ses premiers âges, l'Univers était le siège de phénomènes extrêmement violent, et les galaxies crûrent très rapidement, évoluant par accrétion de galaxies de masses inférieures. Le résultat de ce processus est l'empreinte laissée dans la distribution des galaxies de l'Univers proche (voir l'image du relevé 2dF Galaxy Redshift Survey). Les galaxies ne sont pas des objets isolés dans l'espace, mais se distribuent plutôt selon de grands réseaux cosmiques de filaments. Aux endroits où se rencontrent ces filaments, des amas de galaxies denses se constituent, qui ont commencé comme les petites fluctuations de densité. En conséquence, la distribution des galaxies est étroitement liée à la physique de l'Univers primordial.

Malgré ses nombreuses réussites, cette image ne suffit pas à expliquer la variété des structures que nous observons parmi les galaxies. Celles-ci apparaissent avec une grande variété de formes, depuis les galaxies elliptiques arrondies et sans particularité, jusqu'aux galaxies spirales dont la forme aplatie rappelle celles de crêpes.