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De nouvelles simulations d’amas de galaxies lèvent le voile sur d’importants mystères de la formation des galaxies

Toutes les galaxies ne sont pas égales. Certaines sont isolées, d’autres s’épanouissent dans des groupes comme notre propre Voie lactée et d’autres encore font partie de mégastructures appelées amas de galaxies. En simulant pour la première fois ces amas, le Dr Yannick Bahé parvient à combler une lacune dans la compréhension scientifique de la formation des galaxies.

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L’astrophysique moderne s’articule autour de deux pratiques essentielles: l’observation – qui a toujours été au cœur de la discipline – et les interprétations théoriques. Ces deux pratiques sont extrêmement interdépendantes: Les observations informent les scientifiques de l’état de l’Univers à un moment donné et peuvent être intégrées dans des modèles et des simulations qui révèlent son évolution. Dans certains cas, toutefois, les simulations disponibles ne répondent pas aux attentes. Prenons le cas des amas de galaxies, des ensembles de galaxies vivant en associations très denses. La simulation de pointe «EAGLE», idéale pour reproduire en détail des galaxies isolées, ne tient pas compte des amas massifs. Il faudrait qu’une simulation uniforme comme EAGLE modélise un volume de données trop important pour inclure un amas massif. Le Dr Bahé s’est fixé pour objectif de surmonter ces difficultés, d’abord comme post-doctorant à l’Institut d’astrophysique Max Planck de Garching, en Allemagne, et aujourd’hui à l’Université de Leyde, aux Pays-Bas. En 2017, avec d’autres chercheurs, il a présenté pour la première fois les résultats de simulations dites «Hydrangea» – un projet dérivé issu de EAGLE. «L’idée consiste à sélectionner soigneusement une région dans laquelle un amas de galaxies s’est formé dans une très vaste simulation à basse résolution, puis de n’exécuter la simulation à la haute résolution requise que sur cette région. Le défi informatique reste de taille – la simulation a dû être exécutée sur l’un des plus gros superordinateurs d’Allemagne – mais le résultat a été un succès. Les simulations d’Hydrangea ont maintenant fait leurs preuves en tant qu’outils sur mesure pour l’étude de la formation et de l’évolution des amas de galaxies», explique le Dr Bahé. Le projet ClusterGal (Investigating the mechanisms that shape galaxies in and around massive clusters) s’appuie sur cette nouvelle série de simulations pour percer les secrets des amas de galaxies. Outre les simulations elles-mêmes, le Dr Bahé a élaboré des outils spécifiques permettant de les analyser. Par exemple, il a créé un code permettant de reconstruire de façon détaillée l’histoire de chaque galaxie en termes d’interactions avec d’autres galaxies du même groupe. «Plusieurs points sont devenus clairs grâce à cette analyse. Premièrement, les simulations ne sont pas parfaites et vont à l’encontre de mesures d’observation à certains égards. Par exemple, bien que la plupart des galaxies aient formé le nombre prévu d’étoiles dans les simulations, les amas de galaxies centraux les plus massifs sont trop massifs d’un facteur 3 environ par rapport à ceux mesurés à partir des observations», explique le Dr Bahé. Une autre imprécision concerne les périphéries des amas et même les galaxies plus à l’intérieur de l’amas, qui semblent subir une suppression de leur formation d’étoiles plus forte que celle observée. Cela peut indiquer que les modèles actuels de formation d’étoiles doivent être révisés ou que des aspects fondamentaux de l’Univers réel manquent encore dans les simulations. «L’une des principales conclusions du projet est la suivante: les galaxies sont beaucoup moins susceptibles d’être perturbées au sein d’un amas que ce qui était admis jusqu’ici. Une grande partie de la matière noire d’une galaxie est aspirée par les forces d’attraction à mesure qu’elle tombe dans un amas (ce qui était un fait connu), mais un nombre important d’étoiles au centre de la galaxie survivent presque toujours. Cela signifie que, du moins sur le plan statistique, nous pouvons comparer les galaxies en amas observées à un décalage vers le rouge plus élevé (longs temps de regard vers le passé) et dans l’univers local, pour en déduire l’évolution de l’ensemble des populations de galaxies», s’enthousiasme le Dr Bahé. Fondamentalement, les résultats de ClusterGal confirment que les amas de galaxies sont directement influencés par leur environnement. Cette découverte mènera probablement à des études de suivi, car les amas de galaxies sont des éléments essentiels pour résoudre le mystère de la formation des galaxies. Comme le souligne le Dr Bahé: «Les amas de galaxies sont particuliers, et si nous ne parvenons pas à comprendre comment ils se sont formés, notre image de la formation des galaxies sera nécessairement incomplète.» Cette étude a été entreprise avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie.

Mots‑clés

ClusterGal, amas de galaxies, formation de galaxies

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