Pourquoi les galaxies sont-elles de différentes formes ?

Dans le modèle standard cosmologique, c’est la matière noire qui, à l’aide de la toile cosmique, serait à l’origine de la formation des grandes structures de l’Univers comme les galaxies. Cependant, même si les modèles galactiques ont été considérablement améliorés au fil des dernières décennies, la formation et l’évolution des galaxies comportent toujours des zones d’ombres. Néanmoins, les observations détaillées des astrophysiciens ainsi que les modélisations associées ont permis d’avancer des hypothèses relativement solides sur la manière dont les galaxies acquièrent leur morphologie.

Dans la forme la plus simple de classification, il existe deux catégories pour les formes de galaxies : disque et elliptique. Une galaxie à disque, également appelée galaxie spirale, a la forme d’un œuf au plat, indique Cameron Hummels, astrophysicien théoricien au Caltech. Ces galaxies ont un centre plus sphérique, comme le jaune d’oeuf, entouré d’un disque de gaz et d’étoiles — le blanc d’oeuf. La Voie lactée et notre voisine galactique la plus proche, Andromède, entrent dans cette catégorie. Plus précisément, la Voie lactée est une galaxie spirale barrée, car elle contient une barre de matière dense en son centre.

En théorie, les galaxies à disque se forment initialement à partir de nuages ​​d’hydrogène. La gravité attire les particules de gaz ensemble. Au fur et à mesure que les atomes d’hydrogène se rapprochent, le nuage commence à tourner et leur masse collective augmente, ce qui fait également augmenter la force gravitationnelle de l’ensemble. Finalement, la gravité provoque l’effondrement du gaz en un disque tourbillonnant. La majeure partie du gaz se trouve dans le bord extérieur, alimentant la formation d’étoiles.

Edwin Hubble, qui a confirmé l’existence de galaxies au-delà de la nôtre il y a seulement un siècle, a appelé les galaxies à disques des « galaxies de type tardif », parce qu’il soupçonnait que leur forme signifiait qu’elles s’étaient formées plus tard dans l’histoire de l’Univers. Alors qu’en réalité, les galaxies elliptiques — ce que Hubble appelait les « galaxies de type précoce » — semblent être plus anciennes. Au lieu de tourner, comme les galaxies à disque, les étoiles des galaxies elliptiques ont un mouvement plus aléatoire, indique Robert Bassett, astrophysicien à l’Université Swinburne de Melbourne.

Enfin, forme moins courante, les galaxies lenticulaires semblent être un mélange entre une galaxie elliptique et une galaxie à disque. Il se peut que lorsqu’une galaxie à disque utilise tout son gaz et ne peut plus former de nouvelles étoiles, les étoiles existantes commencent à interagir. Le tiraillement gravitationnel des unes sur les autres crée une forme qui ressemble à une lentille.

Les fusions galactiques : elles seraient à l’origine de certaines formes de galaxies

On pense que les galaxies elliptiques sont le produit d’une fusion de galaxies. Lorsque deux galaxies de masse égale fusionnent, leurs étoiles ont des effets gravitationnels les unes sur les autres, perturbant la rotation des étoiles et créant une orbite plus aléatoire. Toutes les fusions ne donnent pas lieu à une galaxie elliptique. La Voie lactée est en fait assez ancienne et grande, mais conserve sa forme de disque. Sa masse a augmenté par l’attraction de galaxies naines, qui sont beaucoup plus petites que notre galaxie d’origine, et en absorbant du gaz libre environnant.

Cependant, Andromède, notre galaxie voisine en forme de disque, se dirige directement vers la Voie lactée. Ainsi, dans des milliards d’années, les deux galaxies en spirale pourraient fusionner et chacun des disques étoilés du duo compensera la rotation de l’autre, créant une galaxie elliptique plus aléatoire.

Ces fusions sont loin d’être instantanées. Elles prennent des centaines de millions, voire des milliards d’années. En fait, il y a des fusions en cours qui progressent si lentement — de notre point de vue — qu’elles semblent statiques. Hubble a donné à ces galaxies leur propre classification : les galaxies irrégulières. Selon les astrophysiciens, ces galaxies ressemblent à des structures désordonnées à plusieurs composantes.

Déduire les propriétés des galaxies grâce à leurs étoiles

Ce que les astrophysiciens ont découvert jusqu’à présent sur les galaxies et leurs formes 3D a été déduit à l’aide de milliers d’images 2D et en s’appuyant sur d’autres propriétés, telles que la couleur et le mouvement des galaxies, pour remplir les lacunes observationnelles. Par exemple, le jeune âge des galaxies à disque est corroboré par leur couleur bleue. Les étoiles bleues sont généralement plus grandes et brûlent rapidement à des températures plus élevées (la lumière bleue a une fréquence plus élevée et est donc plus énergétique que la lumière rouge). Tandis que les galaxies elliptiques sont remplies d’étoiles plus anciennes — appelées naines rouges — qui ne brûlent pas aussi vite.

Toutefois, la formation et l’évolution des galaxies reste l’une des plus grandes questions ouvertes dans le domaine de l’astronomie et de l’astrophysique, et les modèles galactiques actuels ne demandent qu’à être complétés et précisés.