Comment les galaxies en interaction forment des structures plus grandes et déclenchent la formation d'étoiles ainsi que l'activité AGN
Les collisions et fusions de galaxies sont parmi les événements les plus dramatiques qui façonnent le paysage cosmique. Ce ne sont pas de rares curiosités — ces interactions sont des éléments essentiels de la formation de la structure hiérarchique, montrant comment, au cours de l'histoire cosmique, de petites galaxies se combinent pour former des structures de plus en plus grandes. Outre l'accumulation de masse, les collisions et fusions influencent profondément la morphologie des galaxies, les taux de formation d'étoiles et la croissance des trous noirs centraux, jouant ainsi un rôle important dans l'évolution des galaxies. Cet article passe en revue la dynamique des interactions galactiques, les signes d'observation caractéristiques et l'impact étendu sur la formation d'étoiles, les noyaux actifs de galaxies (AGN) et la formation de grandes structures (groupes, amas).
1. Pourquoi les collisions et fusions de galaxies sont importantes
1.1 Accumulation hiérarchique en cosmologie ΛCDM
Dans le modèle ΛCDM, les halos de galaxies se forment à partir de faibles fluctuations de densité puis fusionnent en halos plus grands, incorporant les galaxies qu'ils contiennent. En conséquence :
- Galaxies naines → Spirales → Elliptiques massives,
- Les groupes fusionnent → Les amas → superamas.
Ces processus gravitationnels se produisent depuis les premières époques de l'Univers, tissant progressivement la toile cosmique. Une partie essentielle de ce tableau est la manière dont les galaxies elles-mêmes fusionnent, parfois doucement, parfois de manière tumultueuse, créant de nouvelles structures.
1.2 Influence transformative sur les galaxies
Les fusions peuvent modifier considérablement les propriétés internes et externes des galaxies en interaction :
- Changement morphologique : Deux galaxies spirales en fusion peuvent perdre leurs structures en disque et devenir elliptiques.
- Activation de la formation d'étoiles : Les collisions poussent souvent les gaz vers le centre, provoquant un intense processus de formation d'étoiles en « starburst ».
- Alimentation des AGN : Ces mêmes flux peuvent nourrir les trous noirs supermassifs centraux, déclenchant des phases de quasars ou d'AGN de type Seyfert.
- Redistribution de la matière : Les queues de marée, ponts et flux d'étoiles montrent comment les étoiles et les gaz sont projetés lors des collisions.
2. Dynamique des interactions galactiques
2.1 Forces de marée et moments de rotation
Lorsque deux galaxies se rapprochent, la gravité différente provoque des forces de marée dans leurs disques d'étoiles et de gaz. Cela permet de :
- Étendre les galaxies, formant de longues queues de marée ou des arcs,
- Former des ponts (bridges) d'étoiles et de gaz reliant les deux galaxies,
- Retirer une partie du moment angulaire des gaz, en les poussant vers le centre.
2.2 Paramètres de collision : orbites et rapports de masse
Le résultat de la collision dépend fortement de la géométrie de l'orbite et du rapport des masses des galaxies en interaction :
- Fusion majeure (major merger) : Lorsque les galaxies ont une taille similaire, le résultat peut être un système complètement remodelé — souvent une énorme elliptique — accompagné d'un centre de formation d'étoiles intense.
- Fusion mineure (minor merger) : Une galaxie est beaucoup plus grande. La plus petite peut être détruite (formant des flux d'étoiles) ou rester un satellite, qui finit par fusionner avec l'hôte.
2.3 Périodes d'interaction
Les fusions de galaxies durent des centaines de millions d'années :
- Premier rapprochement : Apparition des signes de marée, les gaz sont perturbés.
- Plusieurs passages : En s'approchant à plusieurs reprises, les moments de rotation s'intensifient, entraînant une formation d'étoiles plus puissante.
- Fusion finale : Les galaxies fusionnent en un nouveau système, souvent prenant une forme plus sphérique, si la fusion était majeure [1].
3. Signes d'observation des fusions
3.1 Marées, queues en forme de barre et ponts
Les interactions produisent souvent des structures impressionnantes :
- Queues de marée : Longs filaments d'étoiles et de gaz s'étendant depuis la galaxie, souvent avec des concentrations d'étoiles jeunes.
- Coques/vagues : Dans les galaxies elliptiques, vestiges de la fusion de petits satellites, on observe des traces arquées en forme de coque.
- Ponts : Bandes étroites d'étoiles ou de gaz reliant deux galaxies rapprochées — indiquant une interaction active ou passée.
3.2 Explosions de formation d'étoiles et émission IR renforcée
Dans les galaxies en fusion, le taux de formation d'étoiles peut augmenter de 10 à 100 fois par rapport aux galaxies non interactives. Ces starbursts provoquent :
- Émission Hα intense, ou si le noyau est fortement poussiéreux,
- Forte émission IR : Les nuages de poussière chauffés par de jeunes étoiles massives brillent en infrarouge, rendant ces systèmes LIRG ou ULIRG [2].
3.3 Activité des AGN/quasars et morphologie des fusions
L'accrétion de gaz sur un trou noir supermassif peut se manifester par :
- Noyau brillant : Signes d'un quasar ou d'une galaxie Seyfert (lignes larges distinctives, flux puissants).
- Régions externes perturbées : Asymétries structurelles marquées, traits de marée — par exemple, l'hôte d'un quasar montre des traces de fusion ou de ses restes.
4. Sursauts de formation d'étoiles dus aux flux de gaz
4.1 Transport du gaz vers le centre
Lors du passage rapproché, les moments de torsion gravitationnelle modifient le moment angulaire, forçant les gaz moléculaires à s'effondrer vers les kiloparsecs centraux. L'accumulation de gaz à haute densité au centre provoque une explosion de formation d'étoiles — des étoiles massives se forment beaucoup plus rapidement que dans les galaxies spirales habituelles.
4.2 Autorégulation et rétroaction
Les sursauts de formation d'étoiles durent généralement peu. Les vents stellaires, les supernovas et les flux des AGN peuvent disperser ou chauffer le gaz restant, éteignant ainsi la formation d'étoiles ultérieure. Ainsi, lors d'une fusion, une galaxie peut devenir pauvre en gaz, une elliptique calme, si le gaz a été expulsé ou consommé [3].
4.3 Observations à différentes longueurs d'onde
Des télescopes tels que ALMA (submillimétrique), Spitzer ou JWST (infrarouge) et des spectrographes terrestres permettent de suivre les réservoirs de gaz moléculaire froid, l'émission de poussières ainsi que les signes de formation d'étoiles — pour comprendre comment les fusions contrôlent la formation d'étoiles à l'échelle de plusieurs kiloparsecs.
5. Activation des AGN et croissance des trous noirs noirs
5.1 Alimentation du « moteur » central
Beaucoup de spirales ont des trous noirs centraux, mais pour atteindre une luminosité quasar, il faut des flux de gaz abondants pour les « nourrir » près de la limite d'Eddington. Les grandes fusions provoquent souvent cela :
- Canaux d'accrétion : Les gaz perdent leur moment angulaire et s'accumulent dans le noyau.
- Alimentation du trou noir : C'est ainsi qu'un AGN ou un quasar s'allume, parfois visible à des distances cosmologiques.
5.2 Rétroaction induite par l'AGN
Un trou noir accrétant intensément peut gonfler ou chauffer les gaz par rayonnement, vents ou jets relativistes, arrêtant ainsi la formation d'étoiles :
- Mode quasar : Épisodes de haute puissance avec de forts écoulements, souvent associés à de grandes fusions.
- Mode « maintenance » : Une activité AGN plus faible après un pic de formation d'étoiles peut empêcher le refroidissement des gaz, maintenant l'objet dans un état « rouge et mort » [4].
5.3 Preuves observationnelles
Certains des AGN ou quasars les plus brillants, tant locaux que dans l'Univers lointain, montrent des signes morphologiques de fusion — des queues en marée, des noyaux doubles ou des isophotes irréguliers — témoignant que l'alimentation des trous noirs et les fusions vont souvent de pair [5].
6. Grandes (major) et petites (minor) fusions
6.1 Grandes fusions : formation d'elliptiques
Quand deux galaxies de taille similaire entrent en collision :
- La relaxation violente perturbe les orbites stellaires.
- La formation de protubérances du noyau ou la perturbation de tout le disque peut aboutir à une grande galaxie elliptique ou lenticulaire.
- La formation d'étoiles et le mode quasar ou AGN atteignent un pic.
Des exemples tels que NGC 7252 (« Atoms for Peace ») ou les galaxies Antennes (NGC 4038/4039) montrent comment les spirales actuellement « brisées » évolueront vers une future elliptique [6].
6.2 Petites fusions : croissance progressive
Quand une petite galaxie fusionne avec une beaucoup plus grande :
- Compléter le halo ou le noyau d'une galaxie plus massive,
- Provoquent une augmentation modérée de la formation d'étoiles,
- Laissent des traces morphologiques, par exemple des flux d'étoiles (comme Sgr dSph dans la Voie lactée).
Les petites fusions répétées au fil du temps cosmique peuvent fortement augmenter le halo stellaire et la masse centrale d'une galaxie, sans détruire complètement le disque.
7. Fusions dans un environnement cosmique plus large
7.1 Fréquence des fusions dans l'histoire cosmique
Les observations et simulations montrent que la fréquence des fusions était la plus élevée lorsque le décalage vers le rouge z ≈ 1–3, car les galaxies étaient plus densément regroupées, favorisant les interactions. Cette période coïncidait aussi avec les pics d'activité cosmique de formation d'étoiles et d'AGN, soulignant le lien entre assemblage hiérarchique et consommation intense de gaz [7].
7.2 Dans les groupes et amas
Dans les groupes, où les vitesses des galaxies ne sont pas très élevées, les collisions sont assez fréquentes. Dans les amas, où les vitesses des galaxies sont plus élevées, les fusions directes sont plus rares mais toujours possibles, surtout près des centres d'amas. Sur des milliards d'années, les fusions répétées forment les BCG (Brightest Cluster Galaxies), souvent des elliptiques de type cD avec des halos très étendus, formés à partir de nombreuses galaxies plus petites.
7.3 Future fusion Voie lactée–Andromède
Notre Voie lactée fusionnera un jour avec la galaxie d'Andromède (M31) dans quelques milliards d'années. Cette fusion majeure, parfois appelée « Milkomeda », formera probablement un grand système elliptique ou lenticulaire. Cela montre que les collisions ne sont pas un phénomène lointain, mais aussi le destin prévu de notre galaxie [8].
8. Principales avancées théoriques et observationnelles
8.1 Modèles précoces : Toomre & Toomre
Le travail fondamental — Alar et Juri Toomre (1972) ont proposé des simulations gravitationnelles simples montrant comment les galaxies en disque forment des queues de marée lors de collisions. Cela a aidé à démontrer que de nombreuses galaxies « particulières » sont en réalité des spirales en fusion [9]. Ce travail a lancé des décennies de recherche sur la dynamique des fusions et leurs résultats morphologiques.
8.2 Simulations hydrodynamiques modernes
Les simulations actuelles à haute résolution (par exemple, Illustris, EAGLE, FIRE) étudient les fusions de galaxies dans un contexte cosmologique global, intégrant la physique des gaz, la formation d'étoiles et les rétroactions. Ces modèles montrent :
- Intensité des sursauts de formation d'étoiles,
- Modes d'alimentation des AGN,
- Expression morphologique finale (par exemple, des vestiges elliptiques).
8.3 Observations des interactions à grand décalage vers le rouge
Les abondantes données de « Hubble », JWST et des télescopes terrestres montrent que les fusions et interactions dans l'Univers primitif étaient encore plus actives, favorisant une accrétion rapide de masse dans les premières galaxies massives. En comparant les observations aux théories, les astronomes cherchent à comprendre comment une partie des plus grandes galaxies elliptiques et des quasars se sont formés aux époques précoces.
9. Conclusion
Des petites perturbations de marée aux grandes catastrophes, les collisions de galaxies sont un facteur essentiel de la croissance et de l'évolution cosmiques. Ces collisions transforment les participants — déclenchant d'impressionnantes poussées de formation d'étoiles, allumant de puissants AGN et aboutissant finalement à de nouvelles formes morphologiques. Elles ne sont pas des événements fortuits, mais s'insèrent organiquement dans la formation hiérarchique des structures de l'Univers, où de petits halos fusionnent en plus grands, et les galaxies avec eux.
Ces collisions ne transforment pas seulement des galaxies isolées, elles contribuent aussi à assembler des structures plus grandes : formant des amas, créant le réseau cosmique, participant à la grande fresque structurelle de l'Univers. Avec l'amélioration de nos instruments et simulations, nous comprenons encore mieux ces interactions — confirmant que collisions et fusions, loin d'être des événements rares, sont en réalité le cœur de la croissance des galaxies et de l'évolution cosmique.
Liens et lectures complémentaires
- Barnes, J. E., & Hernquist, L. (1992). « Dynamique des galaxies en interaction. » Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 30, 705–742.
- Sanders, D. B., & Mirabel, I. F. (1996). « Galaxies infrarouges lumineuses. » Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 34, 749–792.
- Hopkins, P. F., et al. (2006). « Un modèle unifié pour la coévolution des galaxies et de leurs trous noirs centraux. » The Astrophysical Journal Supplement Series, 163, 1–49.
- Di Matteo, T., Springel, V., & Hernquist, L. (2005). « L'apport d'énergie des quasars régule la croissance et l'activité des trous noirs et de leurs galaxies hôtes. » Nature, 433, 604–607.
- Treister, E., et al. (2012). « Les fusions majeures de galaxies ne déclenchent que les noyaux actifs galactiques les plus lumineux. » The Astrophysical Journal, 758, L39.
- Toomre, A., & Toomre, J. (1972). « Ponts et queues galactiques. » The Astrophysical Journal, 178, 623–666.
- Lotz, J. M., et al. (2011). « Fusions majeures de galaxies à z < 1.5 : masse, taux de formation d'étoiles et activité AGN dans les systèmes en fusion. » The Astrophysical Journal, 742, 103.
- Cox, T. J., et al. (2008). « La collision entre la Voie lactée et Andromède. » The Astrophysical Journal Letters, 686, L105–L108.
- Schweizer, F. (1998). « Fusions galactiques : faits et fantasmes. » SaAS FeS, 11, 105–120.
- Vogelsberger, M., et al. (2014). « Présentation du projet Illustris : simulation de la coévolution de la matière noire et visible dans l'Univers. » Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 444, 1518–1547.