L'origine des bras multiples dans les galaxies spirales

Simulation d’une galaxie spirale à bras multiples.

T. Ize et C. Johnson/université de l'Utah

Les images de galaxies spirales comptent parmi les plus belles obtenues par le télescope spatialHubble. Ces galaxies représentent près de 70 pour cent des galaxies dans l’environnement proche de la Voie lactée, elle-même une galaxie spirale. Comment apparaît cette structure courante, et quelle est son évolution ? Est-ce un phénomène transitoire à courte ou longue durée de vie ?Différents modèles ont été proposés. Elena D’Onghia et ses collègues du Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian, aux États-Unis, ont étudié cette question en réalisant une simulation numérique d'une galaxie comportant 100 millions de particules. En introduisant des nuages de gaz géants, ils ont observé la formation de bras en spirales.

La première explication proposée supposait que les bras des galaxies spirales sont formés de matière plus dense, qui se déplace avec le bras. Elle a été écartée dès 1925, car, si c'était le cas, au bout de quelques tours, les bras devaient se déformer et s’enrouler autour du centre. Dans les années 1960, les astrophysiciens américains Chia Chiao Lin et Frank Shu ont imaginé que les bras spiraux sont des ondes de densité. Dans ce scénario, une onde se propage dans le plan galactique, mais plus lentement que la rotation de la matière. La matière est concentrée au passage de l'onde, puis revient à sa densité normale une fois l’onde passée, un peu comme dans un embouteillage.

Si les observations tendent à confirmer ce scénario, il était difficile de reproduire le phénomène dans des simulations numériques, car les équations, trop complexes, devaient être simplifiées. Or dans les simulations les plus détaillées, les bras étaient rapidement détruits. Dans les années 1980-90, l’introduction de gaz dans les simulations, qui dissipe l’énergie des ondes, a permis de reproduire la formation de galaxies spirales.

Dans leurs simulations, E. D’Onghia et ses collègues s’intéressent à la formation de bras multiples, laissant de côté les galaxies à deux ou trois bras, qui sont engendrés et maintenus par des « barres » ou des galaxies compagnons. Ils ont testé de nombreuses situations en prenant en compte des effets non linéaires. Ils ont constaté que l'introduction de nuages de gaz géants, représentés dans les simulations par 1 000 particules très massives, perturbe le milieu et conduit à la formation de bras. Mais ces nuages peuvent disparaître à cause des effets de dispersion du gaz, en particulier quand le nuage traverse un bras. Les simulations montrent que si la durée de vie des nuages dépasse 10 millions d’années, des bras spirales peuvent encore se former.

Par ailleurs, en suivant un paquet de particules, les chercheurs ont montré que les bras sont bien des ondes de densité. Plus étonnant, si on retire les nuages de gaz géants de la simulation après la formation des bras, la structure spirale est conservée, car le passage des bras crée lui-même des fluctuations de densité, équivalentes aux nuages. Un phénomène qui n'apparaît pas avec l’approximation linéaire des équations.