La fureur de vivre des grands amas de galaxies.

La fureur de vivre des grands amas de galaxies.

Certains anciens amas de galaxies semblent avoir grandi trop vite. Ils constituent un laboratoire pour explorer l’astrophysique dans des conditions extrêmes.

De la même façon que les arbres ou les humains naissent, grandissent et meurent, il en est de même des galaxies, ces structures composées de gaz et d’étoiles qui peuplent l’Univers. Elles se forment soit lorsqu’un nuage de gaz a accumulé une masse suffisante et s’effondre sur lui-même, soit quand deux plus petites galaxies, ou plus, entrent en collision. Une fois constituée, une galaxie donne naissance à des étoiles durant toute son existence. Sa réserve de gaz crée ces creusets stellaires où les réactions de fusion nucléaire convertissent des éléments légers, tels l’hydrogène ou l’hélium, en d’autres, plus lourds, et libèrent de la lumière et de l’énergie.

Une galaxie est dite « active » quand elle brille intensément dans l’ultraviolet : c’est le signe de la présence d’étoiles jeunes, lumineuses et chaudes. Quand ces astres vieillissent, leur lumière change. Elles évoluent de chaudes et bleues à froides et jaunes ou rouges. Dès lors qu’une galaxie contient principalement des étoiles jaunes et rouges, elle n’émet plus ou peu de rayonnement ultraviolet. On la considère en fin de vie, ou « passive ». Si elle est suffisamment massive, elle prend une forme sphéroïdale, une galaxie elliptique, où les naissances d’étoiles deviennent assez rares.

Quand les astronomes observent l’espace autour de nous, jusqu’à des distances de l’ordre de 300 à 600 millions d’années-lumière typiquement, ils constatent qu’un nombre important de ces galaxies elliptiques sont regroupées dans de grands ensembles, des amas de galaxies. Certains de ces amas hébergent les restes des galaxies les plus massives jamais formées dans l’Univers. On y trouve des centaines, voire des milliers de galaxies qui gravitent lentement les unes autour des autres, sans perspective de changement.

Ces amas de galaxies sont des objets très étonnants qui posent d’épineux problèmes pour les astronomes. La plupart d’entre eux semblent avoir atteint leur stade final d’évolution quand l’Univers n’avait que la moitié de son âge actuel (13,8 milliards d’années). Pour que leurs galaxies soient déjà devenues elliptiques, cela signifie qu’elles ont produit leurs étoiles et consommé leur gaz très tôt dans l’histoire du cosmos. Mais, dans ce cas, ces galaxies auraient atteint la taille de la Voie lactée, voire plus, il y a au moins 10 milliards d’années, beaucoup plus tôt que ce que l’on sait de l’évolution des galaxies. Ces observations suggèrent que les jeunes amas de galaxies – les « protoamas » – où ces galaxies se sont formées devaient être des endroits incroyablement actifs, où le rythme de formation des étoiles était frénétique. Quelles conditions ont favorisé une évolution aussi rapide ?

Pour le comprendre, les astronomes ont entrepris de traquer ces protoamas. Mais c’est seulement récemment que les chercheurs ont eu accès à des télescopes assez puissants pour découvrir ces objets dont la lumière a mis au moins 10 milliards d’années pour nous parvenir. Ils nous ont longtemps échappé car ils étaient cachés dans leur propre nuage de poussière. Ces dernières années, les astronomes ont détecté deux protoamas qui nous livrent de précieux indices sur la croissance des amas. Ces observations confirment que ces groupes de galaxies sont très actifs, mais aussi qu’ils sont gigantesques – si énormes qu’il reste à comprendre de nombreux aspects de leur formation. Si nous parvenons à identifier les conditions qui ont donné naissance à ces mastodontes, nous pourrons redessiner l’histoire de l’évolution de l’Univers.

Des flambées d’étoiles

En général, les galaxies actives produisent très peu d’étoiles par an – en moyenne, l’équivalent d’une à dix masses solaires de gaz se transforme en étoiles (une masse solaire par an ne signifie pas une étoile par an, car des étoiles plus légères que le Soleil peuvent se former ; on peut donc avoir plusieurs étoiles par an). On les qualifie de galaxies à formation d’étoiles normale. La Voie lactée appartient à cette catégorie. Ces galaxies sont un peu les tortues de la fable : elles produisent des étoiles avec lenteur mais à un rythme constant pendant environ 10 milliards d’années. Pendant cette période, les galaxies restent bleues et leur structure a l’aspect d’un disque.

Cependant, certaines galaxies produisent l’équivalent de cent masses solaires d’étoiles par an. On les qualifie de galaxies à sursauts de formation d’étoiles ou galaxies à flambées d’étoiles (starburst galaxies en anglais). Elles incarnent les lièvres de l’évolution galactique. En quelque 300 millions d’années, ces galaxies naissent, forment le plus d’étoiles possible et en un clin d’œil cosmique épuisent leur carburant. Ces flambeuses profitent de la vie à toute vitesse et meurent jeunes. Les astronomes pensent qu’elles sont peut-être à l’origine de ces galaxies elliptiques massives et passives que l’on trouve aujourd’hui dans les amas.

En toute logique, si l’on regarde assez loin dans l’Univers (c’est-à-dire l’Univers tel qu’il était dans sa prime jeunesse), on devrait y voir des protoamas remplis de galaxies à flambées d’étoiles (qui deviendront ces amas d’aujourd’hui peuplés de galaxies déjà épuisées). Mais trouver de telles galaxies dans les protoamas a été plus difficile qu’on ne l’espérait.

Jusqu’à récemment, les méthodes que nous utilisions pour détecter des amas consistaient à traquer justement les galaxies elliptiques passives ou le gaz chaud contenu dans l’espace entre ces galaxies. Cependant, ces composantes des amas ne se forment que tardivement dans l’histoire de l’Univers et ne sont donc pas adaptées pour traquer des protoamas. Nous avons dû imaginer de nouvelles stratégies pour mettre en évidence les ancêtres des amas, aux galaxies plus bleues et formant encore des étoiles.

L’amas de galaxies RXC J0032.1 + 1808 est l’un des plus massifs connus à ce jour. Il a été observé dans le cadre du programme Relics du télescope spatial Hubble. Les astrophysiciens veulent étudier les protoamas qui ont donné naissance à des objets si gros.

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actuellement il existe une théorie pour expliquer les concentrations de galaxies dans des "mailles spatiales" : Dans l'univers il existe deux forces qui s'appliquent aux masses en présence :

- la gravitation qui crée les forces "d'agglutination" de la matière des étoiles et des galaxies 

- la répulsion qui serait due à la matière noire et à l'énergie sombre.

La matière qui forme les étoiles et les galaxies est "coincée" entre ces deux phénomènes et dégage ainsi d'immenses espaces vides et des régions où la matière classique s'accumule de façon dynamique et intense.