Une nouvelle théorie sur la formation des galaxies formulée grâce à la simulation numérique

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France - Les galaxies actuelles, comme la Voie Lactée, se sont formées au sein de courants de gaz froid. C'est ce que viennent de démontrer à l'aide de simulations numériques de haute performance une équipe d'astrophysiciens français du CEA-Irfu, de l'Insu-CNRS, des universités Paris Diderot, Pierre et Marie Curie et une équipe de l'université hébraïque de Jérusalem.

Les galaxies d'aujourd'hui, comme notre Voie Lactée, ont une morphologie spirale. Ce sont des disques en rotation, riches en hydrogène gazeux, qui forment continûment des étoiles (de l'ordre de deux masses solaires sur une année).

Pour comprendre la formation de ces galaxies, le scénario standard se fonde sur une accrétion de gaz quasiment sphérique et sur des collisions entre galaxies plus anciennes. Il suppose que les étoiles se forment tout d'abord de façon lente et mesurée dans les galaxies spirales, puis de façon violente à l'occasion de collision entre deux spirales, conduisant à la formation d'un "starburst" (siège de formation très intense d'étoiles, ndlr) de plusieurs centaines de masses solaires par an, et à la formation d'une galaxie elliptique.
Ce modèle a été récemment remis en question par de nouvelles observations réalisées par des télescopes géants, qui ont permis de sonder l'Histoire de l'Univers sur plus de 10 milliards d'années en arrière, soit 3 milliards d'années après le Big Bang.

Les galaxies massives forment des étoiles à un taux de plusieurs centaines de masses solaires par an, mais ne ressemblent pas à des systèmes en collision. Elles ressemblent plutôt à de grands disques de gaz, fragmentés en plusieurs grumeaux géants, au sein desquels les étoiles se forment activement. Comment est-il possible que ces galaxies forment des étoiles si efficacement, sans mettre en jeu des collisions cosmiques entre galaxies ?
L'équipe internationale à l'origine de la nouvelle théorie a utilisé un programme informatique développé par le CEA-Irfu sur l'un des plus gros ordinateurs du monde, le 'MareNostrum' du Centre de Calcul de Barcelone.

Les informaticiens et les astrophysiciens ont d'abord 'découpé' l'univers en plus de 3 000 mailles – la maille est le calcul de base de la simulation numérique – pour représenter sa structure ; ils ont ensuite modélisé les processus physiques en jeu pour montrer la façon dont les étoiles interagissent avec le gaz.

Après quatre semaines de calculs intensifs, réalisés en parallèle sur plus de 2 000 processeurs, la simulation a fait apparaître plus de 100 000 galaxies massives à l'intersection d'un réseau complexe de filaments gazeux.

« La précision et la taille de cette simulation ont permis pour la première fois d'étudier en détail comment les galaxies focalisent la matière qui les constitue et qui les conduit à former des étoiles », explique Romain Teyssier, responsable du projet Horizon. « Dans cette nouvelle théorie, la plupart des galaxies croissent par accrétion continue de gaz venant de courants froids, plutôt que par des collisions entre galaxies satellites. Nous les avons donc baptisées "les Galaxies à Courants Froids". »

En moyenne, on compte trois filaments froids par galaxie. Ces courants froids pénètrent à travers le halo de matière noire et de gaz chaud jusqu'au centre, là où se trouve le disque galactique. Ainsi enrichi en gaz frais, ce dernier se fragmente en grumeaux massifs au sein desquels se forment les étoiles.

Ces travaux font l'objet d'une publication dans Nature du 22 janvier 2009.