Les galaxies : interactions & collisions, et l’évolution du contenu matériel de l’Univers

le monde des galaxies contient des objets « normaux » …. Messier 61 NGC 4449 NGC 4725 NGC 5774 / 5775 NGC 5068 NGC 5247

… et aussi quelques beaux monstres inclassifiables ….

pour les galaxies géantes Elliptiques Lenticulaires Spirales La classification morphologique de Hubble pour les galaxies géantes

L’astronome veut expliquer ce qu’il observe ! Les monstres, même et surtout s’ils sont rares, doivent être aussi explicables et compréhensibles que les objets plus courants que sont les galaxies spirales « régulières », les galaxies elliptiques bien symétriques, et les irrégulières « magellaniques » de faible luminosité. Et en effet, à peu près tous les monstres connus sur lesquels l’information est suffisante sont explicables par les phénomènes d’interaction gravitationnelle entre galaxies qui se rencontrent dans l’espace.

Un constat : les galaxies sont rarement isolées ! Messier 31 d’Andromède (type Sb)

Généralement, on les trouve par petits groupes lâches, au sein desquels une ou deux galaxies « géantes » sont accompagnées par plusieurs objets de dimensions et de luminosité plus petites. Un exemple typique est « notre » Groupe Local ...

5 millions d’a.-l. de diamètre Le Groupe Local: une « petite » structure: 30 galaxies, 5 millions d’a.-l. de diamètre

Ces groupes sont des « structures » où les divers objets sont liés par leur attraction gravitationnelle mutuelle . Les objets les plus massifs, la ou les galaxies « géantes », contiennent de quelques dizaines à quelques centaines de milliards de masses solaires. Ils exercent une force d’attraction importante sur les objets voisins. Ceux-ci peuvent ainsi subir des phénomènes de « marée » .

La force de marée: R2 R1 F1 Fc F2 attracteur La force d'attraction est d'autant plus grande que le point où elle s'exerce est proche du centre de l'attracteur

La force de marée : R2 R1 F1-Fc F2-Fc attracteur La force de marée joue en sens inverse aux deux points opposés. Elle va déformer le corps s'il est suffisamment fluide. (Elle peut aller jusqu'à le disloquer complètement). Une galaxie, constituée de nombreuses étoiles individuelles localisées dans l’espace,et de matière interstellaire, est assimilable à un fluide !

La force de marée : R2 R1 F1-Fc F2-Fc attracteur Mais le corps attiré n’est pas le seul à subir la marée. Il exerce lui-même une force de marée sur l’attracteur !! Celui-ci, s’il est fluide, va donc être déformé en retour !! Si on a affaire à deux galaxies, elles vont se déformer toutes deux « en sens opposés », donnant le phénomène spectaculaire des « queues de marée ». Comme les deux objets ont, en plus, une rotation propre, les queues de marée vont s’incurver dans l’espace…

La mer est à tout le monde, n’est-ce pas ? La plus ou moins grande violence des interactions: La mer est à tout le monde, n’est-ce pas ? Cargo Voilier 100 000 tonnes 3 tonnes

1 2 3 Un peu bousculé… Carrément secoué Oh là la !!!!!!!!!!!!

Les interactions de marée entre galaxies et leurs effets sur la structure des objets sont d’autant plus forts : - que les vitesses relatives sont peu élevées - que les objets sont proches l’un de l’autre - que les plans des disques, lorsqu’il s’agit de galaxies à disque, sont parallèles. - que les objets tournent sur eux-mêmes dans le même sens que leur sens de révolution orbitale (rencontre dite « prograde ») . - la rotation propre des objets, par des phénomènes complexes de couplage entre forces, provoque l’apparition de  figures  spécifiques, « ponts de matière » et « queues de marée ».

D = 280 km !!! Collisions de galaxies ou collisions d’étoiles ?? 1cm D = 280 km !!! Soleil Proxima Cen

Comment étudie-t-on les interactions entre galaxies ? - par l’observation : morphologie, photométrie, traitement d’images faisant apparaître des composantes peu visibles. Analyse des mouvements internes de la matière, montrant l’existence de deux entités dynamiques au sein d’un seul objet - par les simulations numériques : on essaie de reproduire l’histoire de l’évolution d’une collision de galaxies au moyen du calcul des forces gravitationnelles sur deux ensembles de « particules » qui simulent chacun une galaxie. (codes N-corps, codes hydrodynamiques, codes mixtes) Seule l’observation permet de contraindre suffisamment les paramètres de ces simulations, et de choisir les solutions « les plus probables ».

Quelques cas souvent observés NGC 6872 et IC 4970 cliché © ESO - VLT

L’interaction d’une galaxie géante et d’un compagnon nain : ce cas est fréquent au sein des petits groupes où une galaxie géante est accompagnée à faibles distances, de plusieurs naines. Les simulations numériques ont permis d’expliquer plusieurs effets observés: - renforcement de structures dans la géante (« excitation » de la spirale : Messier 51) , - gauchissement du disque de la géante, - destruction d’un compagnon et cannibalisme de ses étoiles qui sont peu à peu incorporées à la population stellaire de la géante.

M 51 et son compagnon cliché NASA-HST

Les gauchissements des disques des spirales peuvent être dus à des interactions avec des galaxies de faible masse. ESO G510-13 cliché NASA-HST M104, El Sombrero cliché NASA-HST

On retrouve leurs étoiles dispersées dans des « courants ». La Voie Lactée « dévore » certains de ses propres amas d’étoiles soumis aux effets disruptifs de ses forces de marée. Ce genre d’aventure fâcheuse arrive aussi aux galaxies naines (faible masse) compagnes proches (trop proches) de la Voie Lactée: elles peuvent être détruites (en tant que systèmes autonomes) après capture. On retrouve leurs étoiles dispersées dans des « courants ».

La galaxie naine sphéroïdale du Sagittaire, SagDEG, très difficilement identifiable, n’est qu’à 80 000 a.-l. du Soleil

Vue de SagDEG en perspective

Voici comment la Voie Lactée a presque désintégré SagDEG en un petit milliard d’années...

et perpendiculairement Collision lente d’une galaxie à disque (spirale) avec un objet qui passe près de son centre et perpendiculairement au plan du disque Ce cas est évidemment très rare. Il donne naissance aux galaxies en anneau comme la célèbre Roue de Charrette

La galaxie de la Roue de Charrette

La Roue de Charrette est un objet favori des simulateurs … qui disposent de gros moyens de calcul numérique!

Des simulations numériques permettent d’interpréter un phénomène comme la Roue de Charrette par la collision d’une galaxie à disque (vue de face à gauche, de profil à droite) avec une galaxie plus petite qui la traverse en son centre. La simulation est conduite avec des particules-tests sans viscosité (non collisionnelles en elles-mêmes, analogues à des étoiles) sur une machine à calcul parallèle dédiée. Vidéo : cliquer dans l’image pour démarrer Simulation N-corps copyright E. Athanassoula et A. Bosma, Observatoire Astronomique de Marseille-Provence

La collision « catastrophique » La déformation de la structure d’une galaxie coûte beaucoup d’énergie. Cette énergie est puisée dans le mouvement orbital mutuel des partenaires de la rencontre. Il en résulte un freinage orbital et un resserrement des orbites. Les galaxies se rapprochent l’une de l’autre (« orbital decay ») Ce rapprochement intensifie les forces d’interaction et précipite la dégradation des orbites. Après une à trois révolutions, il y a fusion des objets (« merging ») Les structures initiales peuvent être détruites si les masses des partenaires de la collision sont voisines, une nouvelle galaxie apparaît sur les ruines des deux galaxies initiales.

1 2 3 Collision avec fusion de deux systèmes aplatis en rotation: formation de galaxie elliptique géante 6 4 5

Collision catastrophique avec fusion finale : gaz en bleu, étoiles en jaune

Une collision « faible »: peu de déformations; les rotations des objets sont de sens opposés. NGC 2207 et IC 2163 cliché © NASA- HST

Les ponts de matière sont les témoins les plus évidents d’un transfert de masse entre deux galaxies au cours d’une collision NGC 1409-1410 cliché NASA-HST

Collision « catastrophique » en cours : déformation des structures des objets, développement d’immenses queues de marée. NGC 4676 « les souris » cliché © NASA- HST

l’objet le moins massif est déstructuré; une immense queue La fin d’une collision catastrophique: l’objet le moins massif est déstructuré; une immense queue de marée s’est formée. UGC 10214 cliché © NASA-HST

Un cas d’école pour les collisions catastrophiques : les Antennes (NGC 4038-4039)

Deux simulations numériques indépendantes de NGC 4038-39 qui donnent des résultats pratiquement identiques et conformes à l’observation

La fusion de deux galaxies spirales, ou l’absorption d’une galaxie spirale par un objet plus massif, donnerait généralement, par redistribution du moment angulaire sur des orbites stellaires chaotiques, naissance à une galaxie elliptique géante. L’analyse fine de nombreuses elliptiques, en apparence bien régulières, a révélé des anomalies variées, qui ne s’expliquent que par un passé tumultueux de cannibalisme ou de naissance violente et … assez récente. On voit souvent un petit disque au centre de l’elliptique:tout ce qui reste de la digestion d’une spirale (le moment angulaire du disque en rotation a la peau dure…) On voit aussi parfois les « coquilles » ...

NGC 422, une elliptique à coquilles

NGC 1344 NGC 3923

vers la formation d’une galaxie elliptique géante Fin de collision «catastrophique»: fusion en cours, vers la formation d’une galaxie elliptique géante Centaurus A cliché © ESO - VLT

d’un passé de cannibalisme … Les « coquilles » de Centaurus A, témoins résiduels d’un passé de cannibalisme … cliché © NOAO

Les collisions catastrophiques, lorsqu’elles mettent en jeu un système au moins qui contient du gaz interstellaire, provoquent des flambées spectaculaires de formation d’étoiles. Le « fluide d ’étoiles » n’est pas « collisionnel » : il n’a aucune viscosité, les étoiles ne se rencontrent jamais physiquement. Le fluide « gaz interstellaire » au contraire est violemment collisionnel et la friction des nuages de gaz entre eux, leur mise en mouvements supersoniques, provoquent des ondes de choc qui compressent ce gaz et mènent à la formation d’étoiles, avec des taux très supérieurs à ceux observés en régime normal. La phase finale de fusion crée un objet très lumineux (pendant quelques dizaines de millions d’années) en particulier dans l’infrarouge : une galaxie LIRG ou ULIRG

NGC 4038-4039 cliché Mt Palomar cliché NASA-HST

ULIRG iras19297-0406 cliché composite ACS + Nicmos © NASA-HST

les restes de l’un des protagonistes sont encore détectables ici...

Les « naines de marée » : de nouvelles galaxies dans les ruines des anciennes Les queues de marée emportent une partie considérable de l’hydrogène atomique interstellaire des partenaires, parfois à de grandes distances. Des « grumeaux » plus denses peuvent alors s’y former par auto-gravité, donnant naissance à des épisodes de formation stellaire intenses et très localisés : de nouvelles galaxies naines se reconstruisent ainsi sur les ruines des systèmes géants impliqués dans la collision.

dans les ruines des anciennes Les « naines de marée » : de nouvelles galaxies dans les ruines des anciennes Arp 105 cliché CFHT

L’évolution des amas de galaxies: cannibalisme au centre

Groupe Local : 500 milliards de masses solaires dans un Groupe Local : 500 milliards de masses solaires dans un volume d’environ 50 millions d’a.-l. cube Amas de Coma : 30 000 milliards de masses solaires sous forme de galaxies (?), dans un volume d’environ 8 fois le volume du Groupe Local : densité moyenne de galaxies : 12 fois plus forte dans Coma ! Dans les amas de galaxies riches, la probabilité de collision est nettement plus grande que dans les régions de l’Univers à faible densité. Ceci accélère l’évolution des amas !

Un amas se peuple par capture de galaxies périphériques attirées par son énorme potentiel gravitationnel . (le Groupe Local est attiré par l’Amas Virgo, dans lequel il plongera dans quelques milliards d’années) Parallèlement, le jeu des collisions et des captures/fusions d’objets au sein de l’amas, et surtout dans la région centrale à forte densité, dépeuple l’amas, notamment en galaxies de faible masse, les plus menacées. amas Hercules (cliché Kitt Peak Obs.)

Simulation numérique de l’évolution de la galaxie centrale d’un amas riche par croissance au détriment des objets capturés.

galaxie dominante de l’amas Abell 3827 en flagrant délit de cannibalisme (CFHT)

NGC 1316, elliptique NCG 1275, elliptique supergéante centrale supergéante centrale de l’amas Fornax de l’amas Perseus Clichés NASA - Hubble Space Telescope

Les interactions et l’histoire du contenu de l’Univers Détail du Hubble Deep Field Nord : environ 30  ’’ x 20 ’’  

Le Hubble Deep Field Nord première image ultra-profonde de l’Univers extragalactique montrant la population des galaxies de tous âges, probablement depuis l’époque de leur formation (cliché NASA-HST)

L’observation des populations de galaxies faibles à grand décalage spectral (« redshift ») est une manière de remonter le temps vers les origines de l’Univers. Le premier sondage très profond à grande qualité d’image produit par HST, le célèbre « Hubble Deep Field » a révolutionné nos idées sur la formation des galaxies, en donnant une place essentielle aux phénomènes d’interaction et de fusions comme « moteur de l’histoire ». Plus on va profond, plus on remonte le temps, et on voit un Univers de plus en plus petit, parce qu’on « remonte l’expansion à l’envers ». Dans ce petit (!) Univers du passé (lointain), la quantité de matière ordinaire (les protons) est la même mais sa densité est plus forte, le volume étant plus petit. Et les galaxies formées il y a douze milliards d’années avaient de fortes chances de se rencontrer.

HST Ultra Deep Field Composite 4 couleurs de clichés ACS sur HST sur un champ profond

HST Ultra Deep Field détail Cliché NASA-HST

Sont-ce les ancêtres peu massifs de nos galaxies géantes, lentement construites par accrétions, fusions, cannibalisme mutuel ?….

10 Gyr 13 Gyr 11 Gyr 9 Gyr 6 Gyr

et pour terminer, pour la première fois à l’écran, notre destin illustré:

(film d’horreur de durée : 6 minutes, personnes sensibles s’abstenir) comment Voie Lactée et Nébuleuse d’Andromède finiront par fusionner en une seule elliptique géante, dans 3 milliards d’années environ…. (film d’horreur de durée : 6 minutes, personnes sensibles s’abstenir)

Fin (c’est bien le cas !)