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LA STRUCTURE COMPLEXE EST EN COUCHES, AVEC DEUX COQUILLES DE GAZ IMBRIQUÉES

Les apparences peuvent être trompeuses. La spirale d'Andromède, la galaxie majeure la plus proche de notre Voie lactée, peut être vue comme un petit objet flou en forme de fuseau dans le ciel d'automne de l'hémisphère nord. Ce qui ne peut être vu parce qu'il est trop faible, c'est un vaste halo de gaz chaud et raréfié qui s'étendrait de la galaxie d'Andromède à la largeur de trois Big Dippers. Maintenant, dans l'étude la plus complète du halo monstrueux, les astronomes de Hubble ont cartographié ce plasma ténu, constatant qu'il avait une structure en couches, avec deux coquilles de gaz distinctes et imbriquées. Ils ont également découvert qu'elle s'étendait sur 1,3 million d'années-lumière d'Andromède - à peu près à mi-chemin de notre Voie lactée - et jusqu'à 2 millions d'années-lumière dans certaines directions. Ce réservoir de gaz regorge d'indices sur le passé et le futur d'Andromède, et pourrait offrir un aperçu de l'évolution de notre propre galaxie de la Voie lactée.

Dans une étude historique, des scientifiques utilisant le télescope spatial Hubble de la NASA ont cartographié l'immense enveloppe de gaz, appelée halo, entourant la galaxie Andromède, notre plus proche grand voisin galactique. Les scientifiques ont été surpris de constater que ce halo ténu et presque invisible de plasma diffus s'étend sur 1,3 million d'années-lumière de la galaxie - environ à mi-chemin de notre Voie lactée - et jusqu'à 2 millions d'années-lumière dans certaines directions. Cela signifie que le halo d'Andromède se heurte déjà au halo de notre propre galaxie.

Ils ont également constaté que le halo a une structure en couches, avec deux coquilles de gaz principales imbriquées et distinctes. Il s'agit de l'étude la plus complète d'un halo entourant une galaxie.

«Comprendre les énormes halos de gaz entourant les galaxies est extrêmement important», a expliqué la co-investigatrice Samantha Berek de l'Université de Yale à New Haven, Connecticut. «Ce réservoir de gaz contient du carburant pour la formation future d'étoiles dans la galaxie, ainsi que des sorties d'événements tels que les supernovae. C'est plein d'indices concernant l'évolution passée et future de la galaxie, et nous sommes enfin en mesure de l'étudier en détail chez notre voisin galactique le plus proche.

«Nous constatons que la coque interne qui s'étend sur environ un demi-million d'années-lumière est beaucoup plus complexe et dynamique», a expliqué Nicolas Lehner, responsable de l'étude, de l'Université de Notre-Dame dans l'Indiana. «La coque extérieure est plus douce et plus chaude. Cette différence est probablement le résultat de l'impact de l'activité de supernova dans le disque de la galaxie affectant plus directement le halo interne.

Une signature de cette activité est la découverte par l'équipe d'une grande quantité d'éléments lourds dans le halo gazeux d'Andromède. Des éléments plus lourds sont cuits à l'intérieur des étoiles puis éjectés dans l'espace - parfois violemment lorsqu'une étoile meurt. Le halo est alors contaminé par ce matériau provenant d'explosions stellaires.

La galaxie d'Andromède, également connue sous le nom de M31, est une spirale majestueuse de peut-être jusqu'à 1 billion d'étoiles et de taille comparable à notre Voie lactée. À une distance de 2,5 millions d'années-lumière, elle est si proche de nous que la galaxie apparaît comme une tache de lumière en forme de cigare dans le ciel d'automne. Si son halo gazeux pouvait être vu à l'œil nu, il ferait environ trois fois la largeur de la Grande Ourse. Ce serait facilement la plus grande caractéristique du ciel nocturne.

Grâce à un programme appelé Projet AMIGA (Carte d'absorption des gaz ionisés à Andromède), l'étude a examiné la lumière de 43 quasars - les noyaux très lointains et brillants de galaxies actives alimentées par des trous noirs - situés bien au-delà d'Andromède. Les quasars sont dispersés derrière le halo, permettant aux scientifiques de sonder plusieurs régions. En regardant à travers le halo la lumière des quasars, l'équipe a observé comment cette lumière est absorbée par le halo d'Andromède et comment cette absorption change dans différentes régions. L'immense halo d'Andromède est fait de gaz très raréfié et ionisé qui n'émet pas de rayonnement facilement détectable. Par conséquent, suivre l'absorption de la lumière provenant d'une source de fond est une meilleure façon de sonder ce matériau.

Les chercheurs ont utilisé la capacité unique du spectrographe Cosmic Origins (COS) de Hubble pour étudier la lumière ultraviolette des quasars. La lumière ultraviolette est absorbée par l'atmosphère terrestre, ce qui rend impossible l'observation avec des télescopes au sol. L'équipe a utilisé COS pour détecter les gaz ionisés du carbone, du silicium et de l'oxygène. Un atome s'ionise lorsque le rayonnement en dépouille un ou plusieurs électrons.

Le halo d'Andromeda a déjà été sondé par l'équipe de Lehner. En 2015, ils ont découvert que le halo d'Andromède était grand et massif. Mais il y avait peu d'indices de sa complexité; maintenant, il est cartographié plus en détail, ce qui permet de déterminer sa taille et sa masse avec beaucoup plus de précision.

«Auparavant, il y avait très peu d'informations - seulement six quasars - à moins d'un million d'années-lumière de la galaxie. Ce nouveau programme fournit beaucoup plus d'informations sur cette région intérieure du halo d'Andromède », a expliqué le co-chercheur J. Christopher Howk, également de Notre-Dame. «Sonder le gaz dans ce rayon est important, car il représente une sorte de sphère d'influence gravitationnelle pour Andromède.»

Parce que nous vivons à l'intérieur de la Voie lactée, les scientifiques ne peuvent pas facilement interpréter la signature du halo de notre propre galaxie. Cependant, ils pensent que les halos d'Andromède et de la Voie lactée doivent être très similaires puisque ces deux galaxies sont assez similaires. Les deux galaxies sont sur une trajectoire de collision et fusionneront pour former une galaxie elliptique géante à partir d'environ 4 milliards d'années.

Les scientifiques ont étudié les halos gazeux de galaxies plus éloignées, mais ces galaxies sont beaucoup plus petites dans le ciel, ce qui signifie que le nombre de quasars d'arrière-plan suffisamment lumineux pour sonder leur halo n'est généralement qu'un par galaxie. Les informations spatiales sont donc essentiellement perdues. Avec sa proximité de la Terre, le halo gazeux d'Andromède occupe une place importante dans le ciel, permettant un échantillonnage beaucoup plus étendu.

«C'est vraiment une expérience unique car ce n'est qu'avec Andromeda que nous avons des informations sur son halo non seulement sur une ou deux lignes de vue, mais sur 40», a expliqué Lehner. «C'est révolutionnaire pour capturer la complexité d'un halo de galaxie au-delà de notre propre Voie lactée.»

En fait, Andromède est la seule galaxie de l'univers pour laquelle cette expérience peut être faite maintenant, et uniquement avec Hubble. Ce n’est qu’avec un futur télescope spatial sensible aux ultraviolets que les scientifiques pourront entreprendre systématiquement ce type d’expérience au-delà des quelque 30 galaxies qui composent le groupe local.

«Le projet AMIGA nous a donc également donné un aperçu de l'avenir», a déclaré Lehner.

Les résultats de l'équipe apparaissent dans l'édition du 27 août de The Astrophysical Journal.

Le télescope spatial Hubble est un projet de coopération internationale entre la NASA et l'ESA (Agence spatiale européenne). Le centre de vol spatial Goddard de la NASA à Greenbelt, Maryland, gère le télescope. Le Space Telescope Science Institute (STScI) de Baltimore, Maryland, conduit les opérations scientifiques de Hubble. STScI est exploité pour la NASA par l'Association des universités pour la recherche en astronomie, à Washington, DC

Par Sciences et Avenir avec AFP le 10.09.2020 à 16h32

Le CNRS a décerné le 10 septembre 2020 sa prestigieuse médaille d'or à l'astrophysicienne Françoise Combes, professeure au Collège de France et spécialiste de la dynamique des galaxies. Son travail a entre autres permis de mettre en évidence de nombreux phénomènes permettant d'expliquer la formation et l'évolution de l'Univers.

Elle a révélé un pan de l'histoire des galaxies. L'astrophysicienne Françoise Combes a reçu jeudi 10 septembre 2020 la médaille d'or du CNRS, l'un des prix scientifiques les plus prestigieux, pour ses travaux qui ont mis en lumière l'évolution de ces structures essentielles de l'Univers.

Déjà reconnue par de nombreux prix internationaux, cette chercheuse française de 68 ans est "une sommité scientifique incontestée de la physique extragalactique au niveau mondial", a déclaré le président du CNRS, Antoine Petit, saluant une "carrière scientifique exceptionnelle".

La lauréate s'est réjouie, auprès de l'AFP, qu'il y ait "davantage de femmes parmi les récompenses décernées par le CNRS depuis dix ans". Aujourd'hui professeure au Collège de France, Françoise Combes poursuit ses recherches au Laboratoire d'études du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères (Lerma) de l'Observatoire de Paris-PSL. "On est très fiers !", a réagi Fabienne Casoli, astronome présidente de l'Observatoire.

Dynamique des galaxies
Françoise Combes est une spécialiste de la dynamique des galaxies, une discipline qui cherche à savoir comment ces structures sont nées, puis ont évolué tout au long de l'histoire de l'Univers. Ses travaux, dont l'originalité est de mêler observation et simulation numérique, "ont permis de comprendre la relation entre la forme des galaxies et leur histoire, et donc de décoder les différentes étapes" de leur croissance, explique le CNRS.

"Elle a vraiment donné une impulsion dans ce domaine, en apportant une vision dynamique, et non statique, de l'Univers", analyse Fabienne Casoli, dont Françoise Combes fut la directrice de thèse. "Il y a trente ans, on pensait que les galaxies s'étaient formées au début de l'Univers et n'évoluaient que doucement, sans changement majeur", décrypte l'astronome pour l'AFP. Mais le monde que Françoise Combes a contribué à décrire est bien plus complexe : fusions, instabilités des barres galactiques, spirales... Ses recherches ont confirmé une construction progressive, qui "connecte les galaxies entre elles", développe-t-elle.

Sa plus belle découverte, Françoise Combes raconte l'avoir faite en 1980, pendant sa thèse d'État. Grâce à l'utilisation de simulations numériques en 3D, dans laquelle elle a été pionnière, elle parvient à expliquer la formation de bulbes (appelés aussi "cacahuètes") sur certaines galaxies. Un mécanisme qui était jusqu'ici observé, mais non élucidé.

Trous noirs supermassifs et quasars lointains
Elle a aussi montré que les trous noirs supermassifs logés au cœur des galaxies provoquaient un ralentissement de la formation des dizaines de milliards d'étoiles qui les peuplent. "Ce lien entre le trou noir central et la galaxie est une problématique très moderne", selon Mme Casoli. Ses recherches l'ont amenée à participer à la découverte des premiers systèmes d'absorptions moléculaires dans l'Univers lointain, détaille le CNRS.

Enfin, elle a été pionnière d'une technique d'observation des quasars lointains (des galaxies avec un trou noir supermassif) pour y détecter de très faibles quantités de matière à de très grandes distances. Ses découvertes ouvrent de nombreuses perspectives, notamment pour une "meilleure compréhension de la matière noire", ce composant invisible qui peuple les galaxies, dont on peut "observer les effets par simulations numériques", souligne Annaëlle Hallé, astrophysicienne au sein du Laboratoire Lerma.