Simulation de la formation d'une galaxie elliptique

Par le biais de la simulation informatique menée au CEA/IRFU (1), une équipe d'astrophysiciens français appartenant au laboratoire Astrophysique interactions multi-échelles (CNRS, CEA, Université Paris 7) et au CRAL/Observatoire de Lyon (2), consolide la théorie de formation des galaxies elliptiques selon laquelle ces dernières seraient le résultat de la fusion de deux galaxies spirales (3).

Un processus également à l'origine des amas globulaires qui les entourent. Ces travaux, publiés dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, ont été réalisés avec le supercalculateur vectoriel NEC-SX8R du CEA-Centre de Calcul Recherche et Technologie.


Les collisions entre galaxies jouent un rôle important dans leur évolution puisqu'elles peuvent les amener à fusionner. L'hypothèse affirmant que la rencontre de deux galaxies spirales peut donner naissance à une grosse galaxie elliptique prévoit, en outre, l'apparition de très fortes perturbations gravitationnelles. Celles-ci produisent des ondes de marée (4) qui compriment le gaz et la poussière et déclenchent la formation d'étoiles. Si ces dernières s'organisent très souvent en groupes appelés amas ouverts qui vont ensuite lentement se dissocier, se forment également des structures nommées amas globulaires pouvant contenir jusqu'à plusieurs millions d'étoiles liées gravitationnellement.

La simulation de la collision de deux galaxies spirales réalisée par les astrophysiciens du CEA et du CNRS aboutit bien à la formation d'une galaxie elliptique ainsi que d'amas globulaires. Elle reproduit ainsi parfaitement ce qui a pu être observé avec, par exemple, NGC7252, galaxie elliptique qui s'est formée suite à la fusion de deux galaxies spirales, qui est entourée non seulement de débris de matière engendrés par les effets de marée, mais également de nombreux amas globulaires.


Cette simulation, dont la résolution est la plus haute jamais atteinte pour une collision entre deux galaxies, modélise les étoiles, le gaz interstellaire, et la "matière noire" à l'aide de 36 millions de "particules" (5). Cette très haute définition permet, pour la première fois, de reproduire directement la formation des amas d'étoiles avec une très grande précision. En effet, la masse de certains des amas observés dans cette simulation représente moins d'un millionième de la masse totale des galaxies initiales.

Une cinquantaine d'heures de calculs sur le supercalculateur vectoriel NEC-SX8R du CEA-CCRT a été nécessaire à la réalisation de cette simulation. Sans un tel supercalculateur, il aurait fallu disposer de trente ordinateurs de bureau pour pouvoir stocker tous les paramètres physiques de la simulation, et le calcul aurait duré près de deux ans.



Notes:

(1) IRFU: Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l'Univers.
(2) Font partie de cette équipe:
- Frédéric Bournaud (CEA/IRFU) et Pierre -Alain Duc (CNRS), laboratoire AIM (CNRS, CEA, Paris 7),
- Eric Emsellem (Astronome), Centre de recherche astronomique de Lyon (CNRS, Université Lyon 1, Ecole normale supérieure de Lyon).

(3) Les galaxies spirales sont constituées d'un disque de gaz, poussière et étoiles avec au centre un noyau, le tout étant entouré d'un halo diffus. Les bras spiraux présents dans le disque sont les lieux privilégiés de formation stellaire. Les galaxies elliptiques sont des sphéroïdes contenant principalement des étoiles avec peu de gaz interstellaire.
(4) L'interaction mutuelle entre deux galaxies conduit à des phénomènes de marée, qui déforment chaque galaxie mise en jeu, comme le système terre-lune mais dans des proportions bien plus gigantesques.
(5) Les "particules" numériques modélisent, dans la mémoire d'un ordinateur, les étoiles, les nuages de gaz, et la matière noire des galaxies: chaque particule représente une certaine masse, une position et une vitesse dans le volume simulé sur le calculateur.