formation des galaxies

Un recensement de la population par forme du corps : c'est ainsi que l'on peut décrire ce que les astronomes ont fait avec 6348 galaxies massives. Au lieu de la taille et du poids, ils ont mesuré à quel point la lumière est concentrée vers le centre, à quel point la galaxie est aplatie et à quel point sa forme est asymétrique.

Au centre d'une galaxie naine ultra-compacte (un système stellaire très dense de quelques dizaines d'années-lumière) fonctionne un aspirateur. Sauf qu'au lieu de la poussière, il aspire le gaz que rejettent les étoiles mourantes.

Au cours des premiers demi-milliards d'années après le Big Bang, les galaxies poussaient comme du chiendent. Le gaz s'y engouffrait à toute vitesse et s'effondrait en étoiles sans rencontrer de résistance. Cette période est appelée « formation d'étoiles sans entrave ».

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, la matière et l'antimatière auraient dû naître en quantités égales. Mais aujourd'hui, tout autour de nous n'est que matière ordinaire, et l'antimatière est quasi introuvable. Où est-elle passée ?

La matière noire est l'armature invisible de l'Univers. Elle existe, c'est évident d'après le mouvement des étoiles et des galaxies, mais de quoi est faite cette armature, on l'ignore encore. Une hypothèse : des particules ultralégères, semblables aux axions.

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, l'Univers a connu une expansion fulgurante — l'inflation. L'espace s'est étiré plus vite que la lumière, et les frémissements quantiques du vide se sont transformés en véritables particules.

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, l'Univers s'est gonflé à une vitesse prodigieuse — on appelle cette phase l'inflation. Même le vide n'était pas calme : des secousses quantiques agitaient les champs, comme le vent fait onduler les blés. L'un de ces champs, le champ de Higgs sombre, a pu s'écarter par hasard de sa position la plus stable.

Le modèle standard ΛCDM (qui inclut l’énergie noire et la matière noire froide) est la partition de la symphonie cosmique. Il décrit comment, après le Big Bang, l’espace s’est dilaté. Comment la matière noire s’est agglomérée. Comment les galaxies se sont allumées.

Dans la galaxie NGC 1052 DF2, les étoiles se déplacent à seulement 8 kilomètres par seconde — comme si aucune masse invisible n'était présente. Pour comparaison, dans notre Voie lactée, les étoiles périphériques atteignent 200 kilomètres par seconde, retenues par un halo massif de matière noire.

Le cosmos ressemble à un tissu de soie dont les fils de la toile sombre émergent. Les véritables toiles, nous ne les voyons qu'en minuscules lambeaux — à travers les télescopes, dans les catalogues réels de galaxie.

Huit points brillants dans le ciel radio. C'est le même quasar HS 0810+2554, dont la lumière a traversé une lentille gravitationnelle — une galaxie massive au premier plan.

L'eau qui bout dans une casserole — voilà par où commencer. Les bulles de vapeur remontent, éclatent, et la surface se calme. C'est à peu près ainsi qu'au tout début de la vie de l'Univers, un champ particulier remplissant l'espace a pu se comporter : des bulles de nouvelle phase s'y gonflaient et entraient en collision — comme des îlots de vapeur dans un…

La nébuleuse d'Orion est la vitrine de l'astrophysique, un laboratoire pour étudier la formation stellaire à nos côtés. Depuis plus d'un siècle, sa lumière est décomposée en spectres, et chaque raie interdite murmure sa version du nombre d'électrons par centimètre cube.

Tel un mécanisme d'horlogerie des plus délicats, un système multi-planètes réagit avec sensibilité à la moindre secousse.

Quand nous plongeons notre regard dans le cosmos, nous voyons le passé. La loi d'Edwin Hubble transforme le décalage vers le rouge en machine à remonter le temps : la lumière de la galaxie UDS 12999 a mis 7,6 milliards d'années pour nous parvenir — plus de la moitié de la vie de l'Univers.

La matière noire demeure l'une des plus grandes énigmes de la physique moderne. Déjà, Vera Rubin, en observant la rotation des galaxies, avait prouvé que la matière visible ne suffisait pas à retenir les étoiles.

Au cœur d'une minuscule galaxie se trouve un amas dense d'étoiles et de matière noire. Cet amas, appelé soliton, n'est pas figé : il tremble et oscille, telle une gelée sur une assiette.

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, l'Univers a gonflé à une vitesse inimaginable. Cette inflation a laissé derrière elle des ondulations — d'infimes surdensités dans le rayonnement et le plasma brûlants.

Tout a commencé par un déficit de masse. Dans les années 1930, Fritz Zwicky, en mesurant les vitesses dans les amas de galaxies, fut le premier à soupçonner la présence d'une matière invisible.

Les galaxies lenticulaires sont les « discrètes » du cosmos : elles ont un disque, mais pas de bras spiraux brillants. Leur origine est restée longtemps mystérieuse. Une équipe de scientifiques a lancé la simulation informatique Hydrangea et a suivi le destin de chaque galaxie, de sa jeunesse à nos jours.

L'Univers primordial était un endroit agité. L'espace tremblait sous l'effet des ondes gravitationnelles — des ondulations du tissu même du cosmos. Dans ce chaudron bouillonnant, la matière noire serait née. Mais les particules nouveau-nées n'avaient pas de masse — il fallait bien la faire venir de quelque part.

Les étoiles naissent dans des nuages froids de poussière cosmique et d'hydrogène. À l'intérieur de ces cocons, les protoétoiles – les noyaux des futures étoiles – ont longtemps été considérées comme de simples amas chauds.

La galaxie NGC 1277 ressemble à un vieux livre que personne n'a ouvert depuis des milliards d'années. Elle s'est formée rapidement, à l'aube de l'Univers, et n'a presque pas changé depuis — pas de collision avec des voisines, pas de nouvelles couches ajoutées.

L'Univers résonne. Pas au sens habituel — sa symphonie est inscrite dans les infimes variations de densité dont sont issues les galaxies et nous-mêmes.

Les galaxies elliptiques sont de paisibles métropoles stellaires à la retraite. Selon toutes les lois, leur lumière devrait être calme, rougeâtre, comme un coucher de soleil. Mais les spectres crient le contraire : dans l'ultraviolet lointain, ces vieilles dames flambent comme des guirlandes de Noël.

Les deux premiers milliards d'années après le Big Bang — une époque où l'Univers ressemblait à un chantier bouillonnant. La matière noire agglomérait le gaz en amas, qui s'embrasait en premières étoiles.

Jetez une pierre dans un étang, et des cercles se forment. Quelque chose de semblable se produit à l'intérieur d'amas compacts de matière noire lorsqu'ils se trouvent dans un environnement particulier : un champ scalaire.

L'eau se précipite dans un gouffre, mais une partie remonte en bouillonnant et en écumant au bord. C'est à peu près ce que fait le gaz qui s'écoule vers un trou noir supermassif lorsque son flux devient trop dense. Dans cette nouvelle étude, les scientifiques ont suivi ce phénomène à l'aide d'une simulation informatique.

Une rue où l'on vient de construire des maisons. Certaines brillent de fenêtres propres, d'autres sont couvertes de poussière de chantier. C'est à peu près à cela que ressemblaient les galaxies lorsque l'Univers n'avait que quelques centaines de millions d'années.

Un peintre fait un portrait coup de pinceau après coup de pinceau, puis on lui propose un appareil photo avec flash : un clic, et c'est fait. C'est à peu près la transition entre les modèles multi-étapes et les modèles en une étape pour la création d'images de galaxies.

Au cœur même de la Voie lactée, quelque chose brille — mais pas d'une lumière stellaire, plutôt de rayons gamma invisibles à l'œil.

Dans la couronne solaire surchauffée, où la température dépasse le million de degrés, flottent des nuages froids et denses : les protubérances solaires. Elles restent suspendues pendant des semaines, sans tomber ni se dissoudre, comme des icebergs dans un océan bouillant. Comment sont-elles arrivées là ?

Les axions sont des particules insaisissables, proposées par Roberto D. Peccei et Helen Quinn pour résoudre une énigme du modèle standard. C'est Frank Wilczek qui leur a donné leur nom.

Les amas globulaires sont des « pelotes » denses de centaines de milliers d'étoiles qui orbitent autour du centre de la Voie lactée. Certains sont nés dans notre Galaxie, d'autres ont été capturés lorsque la Voie lactée a absorbé des galaxies naines satellites.

Les autres galaxies ne sont que d'anciennes photographies, mais nous observons la Voie lactée en direct.

Le mystère de la croissance rapide des trous noirs dans l'Univers jeune pourrait être expliqué par les quasi-étoiles. Ce sont des cocons de gaz géants avec un trou caché à l'intérieur. La matière qui y tombe s'échauffe et émet tant de lumière qu'elle empêche le cocon de se contracter.

La pâte monte plus vite si elle contient déjà de la levure. De la même manière, les galaxies ont peut-être pu se former plus rapidement si des trous noirs s'y trouvaient déjà.

Les premières étoiles se sont allumées dans des nuages qui ne contenaient que de l'hydrogène et de l'hélium. Les éléments lourds — carbone, oxygène, fer — sont apparus plus tard, à l'intérieur des étoiles.

L'Univers a commencé avec le Big Bang et l'inflation qui a suivi — une expansion brutale. Alan Guth a suggéré que dans certaines régions, cette croissance ne s'est jamais arrêtée. Elles sont restées à jamais des poches « pas tout à fait cuites » d'expansion éternelle.

L'Univers pourrait se comporter comme un ressort : se comprimer jusqu'à des dimensions microscopiques, puis se redéployer. Dans ce cycle de contraction et de rebond naissent les trous noirs et la matière noire.