Naissance des galaxies

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Au tout début de l'univers, il n'y avait que des nuages de gaz. On doit donc supposer que les galaxies se sont formées à partir de faibles inhomogénéités de densité qui vont croître par attraction gravitationnelle, de la même manière que les étoiles naissent dans des nuages moléculaires, mais à une toute autre échelle bien sur.

Pour pouvoir croître par instabilité gravitationnelle une fluctuation de densité doit englober une masse supérieure à une masse critique appelée masse de Jeans : en-dessous de cette valeur, elle ne fait qu'osciller de la même manière qu'une onde sonore, mais son amplitude ne peut pas augmenter.
Si on ne considère que la matière baryonique, c'est-à-dire la matière telle que nous la voyons actuellement, un problème de temps apparaît : la croissance des fluctuations est lente, car freinée par l'expansion de l'univers, et il est à peu près impossible que des galaxies aient pu se former en des temps aussi courts par rapport à la vie de l'univers au vu de la très faible amplitude des fluctuations initiales telles que nous les discernons dans le rayonnement de fond cosmologique.

Les scénarios que nous allons voir font donc appel à la matière noire. Cette matière est ainsi appelée car elle n'interagit pas, ou très peu, avec le rayonnement, et nous ne pouvons donc pas la voir directement.
Cette caractéristique permet ainsi aux fluctuations de commencer à se développer avant le découplage rayonnement-matière, sous l'action de la gravitation.

Scénario top-down

Un premier scénario étudié par Zel'dovich à la fin des années 1970 considérait que la matière noire n'était formée que de particules légères. Ces particules légères possèdent alors des vitesses relativistes pour former ce que l'on nomme la matière noire chaude. A partir de là, la masse de Jeans prend des valeurs très élevées et la condensation des nuages de gaz ne peut se faire qu'à l'échelle des superamas.

top-down scenario
Ces structures géantes se seraient ensuite fragmentées en petits morceaux qui donneraient naissance aux galaxies, d'où le nom de scénario top-down : du haut vers le bas.

Le problème de ce scénario, c'est que les temps de fragmentation des superamas sont trop longs pour être compatibles avec la présence de galaxies à grand redshift, telles que peut les voir le télescope spatial Hubble dans ses images du ciel profond. Selon ce scénario, les galaxies ne peuvent en effet se former qu'à un redshift z=2 au plus tôt, correspondant à un âge de l'univers d'environ 3 milliards d'années.

Ce scénario explique naturellement la structure de l'univers avec ses filaments, mais c'est à peu près son seul succès.

 

Scénario bottom-up

Dans ce scénario inverse, la matière noire est dite froide, car composée de particules lourdes et lentes (vitesses non relativistes). Dans ce cas, la masse de Jeans correspond à des structures de la taille des amas globulaires ou des galaxies naines.

bottom-up scenario
Ces petites proto-galaxies se forment les premières et fusionnent ensuite pour donner naissance aux grandes structures galactiques telles que nous les connaissons aujourd'hui.
Avec une telle théorie, les galaxies se forment à z=3 ou 4, ce qui est déjà bien tard (âge correspondant de l'univers d'environ 1,5 à 2 milliards d'années), puisqu'on a observé des galaxies plus lointaines encore.

Autre problème de ce scénario : comment se forment les grandes structures, amas et superamas ?

 


Le modèle ΛCDM

Le scénario bottom-up repose sur l'hypothèse d'une matière noire froide "Cold Dark Matter". En l'associant à la constante cosmologique Λ on obtient un modèle dit ΛCDM, qui est le modèle le plus communément admis pour l'instant.
Dans ce modèle, la matière noire n'interagissant pas, peut s'accumuler avant le découplage électromagnétique. Après cela, la matière peut s'effondrer dans les puits de potentiel déjà formés par la matière noire.
Ce mécanisme va accélèrer la formation des galaxies et ainsi pallier au problème de formation tardive du modèle bottom-up.
 
A partir de là, les galaxies accumulent de la matière :

On montre alors que les fusions de galaxies sont beaucoup plus efficaces tant qu'elles ne font pas partie de structures plus massives, comme un amas. Ce qui, dans un tel modèle hiérarchisé, correspond au début de l'évolution.

Pour les grandes galaxies spirales, on a donc une formation par fusion de proto-galaxies, suivi d'une accumulation de gaz qui va former le disque, plus jeune, et où se forment les étoiles.
Dans un tel scénario, les grandes galaxies elliptiques se forment par la suite, par fusion de galaxies spirales.
Pour les petites galaxies elliptiques, ce scénario est pris en défaut. Il faut alors les envisager plutôt comme des restes de galaxies spirales qui auraient perdu leur disque, ou comme des agrégats d'amas stellaires.

Le modèle ΛCDM est en fait beaucoup plus qu'un simple modèle de formation des structures galactiques. C'est un modèle cosmologique complet qui permet de décrire l'univers.
A ce titre, on peut mettre deux succès importants à son actif :

 

Malheureusement, à côté de ces deux succès, il subsiste quelques problèmes dans ce modèle.
Comme toujours, pourrait-on dire ...

 

En conclusion, le modèle ΛCDM reproduit assez bien ce que l'on observe dans l'univers au niveau des grandes structures et des filaments de matière, mais montre quelques faiblesses au niveau des galaxies.
Il prévoit une quantité de matière noire trop importante au centre de celles-ci, avec une distribution de densité trop concentrée (problème des cuspides), ce qui entraine des disques galactiques trop petits, avec beaucoup trop de galaxies naines satellites.

Il faut souligner que plus la structure est petite, plus les phénomènes physiques deviennent non-linéaires, ce qui est toujours un obstacle pour la modélisation.

Améliorer le modèle

Pour améliorer ce modèle qui donne de bons résultats à grande échelle, plusieurs pistes sont envisagées : Il y a donc encore pas mal de travail pour comprendre et élucider le mystère de la formation des galaxies.

 


Références :
Age dating of starbust galaxies (C. Leitherer)
Astrophysics and cosmology: the golden âge (M. Rowan-Robinson)
Sky surveys and deep fields of ground-bases and space telescopes (V.P. Reshetnikov)