Le potier s'assied devant son tour, et les premiers mouvements de ses mains scellent le destin du futur vase. Si la motte d'argile reste plate et large, elle tournera longtemps, gagnant en masse et en chaleur. Si au contraire le potier la comprime en une boule dense, le tour ralentit et la pièce durcit rapidement. Il en va de même pour les galaxies : certaines vivent des milliards d'années comme des disques bleus, engendrant des étoiles, tandis que d'autres se figent en sphéroïdes rouges, où plus aucune étoile ne naît. Qu'est-ce qui pousse une galaxie à changer de forme et à cesser de produire des étoiles ? Les astrophysiciens se penchent sur cette question depuis plusieurs décennies.
Pendant longtemps, les fusions de galaxies ont été considérées comme le principal suspect. Lorsque deux cités stellaires entrent en collision, leurs disques se désagrègent, se mélangent, et le gaz au centre s'embrase, alimentant le trou noir supermassif. Le trou noir libère de l'énergie, le gaz est balayé, et la galaxie s'éteint. Mais il y a un hic : les fusions augmentent la taille de la galaxie, alors que les galaxies quiescentes, à masse égale, sont au contraire plus petites que les galaxies qui forment des étoiles. Il doit donc exister un autre mécanisme qui lie la forme et le repos. Les auteurs de ce nouveau travail ont suivi l'évolution de plus de deux mille galaxies dans la simulation EAGLE pour trouver ce mécanisme.
Il s'est avéré que, jusqu'à un certain moment, les futures galaxies quiescentes et les futures galaxies formatrices d'étoiles se ressemblent. Leur forme et leur rotation sont indiscernables. Mais il y a environ 8 à 10 milliards d'années, leurs chemins divergent, et cette divergence coïncide avec le début de l'arrêt de la formation d'étoiles. La différence de taille et de masse du trou noir apparaît encore plus tôt. Ensuite, les auteurs ont identifié quatre canaux par lesquels la forme de la galaxie gouverne son repos.
Le premier canal, ce sont les fusions. Elles augmentent simultanément la taille, suppriment la rotation, rendent la galaxie plus allongée et font grossir le trou noir, qui ensuite éteint la formation d'étoiles. Le deuxième canal est la croissance même du trou noir. Si l'on considère des galaxies ayant la même histoire de fusions, celles qui sont compactes, avec un petit disque, font croître leur trou noir plus vite et s'éteignent plus souvent. La relation entre la fraction de disque et la masse du trou noir est négative et forte : le coefficient de corrélation est d'environ moins 0.5. Le troisième canal est la taille. À masses stellaires et masses de trou noir égales, les futures galaxies quiescentes sont plus compactes de 20 à 60 pour cent, ce qui signifie que la rétroaction du trou noir y est plus efficace. Le quatrième canal est l'instabilité séculaire du disque. Un disque plat et compact se déforme spontanément, se transformant en un système allongé, presque sans gagner de masse stellaire. Ce canal produit environ la moitié des galaxies allongées pour une masse d'environ 40 milliards de masses solaires.
Ce travail montre que la morphologie d'une galaxie n'est pas une conséquence passive de son histoire, mais un acteur actif. Elle contrôle la croissance du trou noir et l'arrêt de la formation d'étoiles. C'est important pour les modèles semi-analytiques : pour reproduire la différence de taille observée entre galaxies quiescentes et galaxies formatrices d'étoiles, il faut tenir compte explicitement de la dépendance de la croissance du trou noir à la structure de la galaxie. La prochaine étape consiste à vérifier ces prédictions sur les observations, par exemple à partir des données sur les galaxies massives et compactes de l'Univers primordial et sur les galaxies allongées de l'Univers local.
Dans la simulation EAGLE, des galaxies d'une masse d'environ 10^10.6 masses solaires, qui n'ont jamais connu de fusion majeure, peuvent passer d'un disque plat à un « cigare » allongé sous l'effet d'une instabilité interne, tout en n'accumulant presque aucune masse stellaire.