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La cinématique anormale des galaxies lointaines : re-formation des disques après fusions ?

Evolution et formation des galaxies

H. Flores et al. (2006) A&A 455, 107 : The true Tully-Fisher relationship at z 0.6 M. Puech et al. (2007) A&A 466, 83 : Angular momentum and dynamical support of intermediate z galaxies Y. Yang et al. (2008) A&A 477, 789 : Strong evolution of galaxy kinematics since z = 1 B. Neichel et al. (2008) A&A, 484, 459 : IMAGES II A surprisingly low fraction of undisturbed rotating spiral disks at z 0.6 : The morpho-kinematical relation 6 Gyrs ago. M. Puech et al. (2008) A&A 484, 173 : IMAGES III : The evolution of the Near-Infrared Tully-Fisher relation over the last 6 Gyr

La compréhension des phénomènes de formation des galaxies nécessite de connaître les mouvements internes des galaxies lointaines, progénitrices des galaxies actuelles. Cela est possible grâce à la spectroscopie 3D au VLT (FLAMES) qui, en mode multi-objets, est un instrument unique au monde. Ces études ont montré que beaucoup (40 à 50%) de galaxies lointaines massives montrent des champs de vitesse perturbés et généralement complexes ou chaotiques. Il y a 6 milliards d’années, de nombreuses galaxies n’étaient pas en équilibre dynamique, contrairement à leurs descendantes, les galaxies actuelles que sont les spirales et les elliptiques.

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Exemples de galaxies lointaines (z=0.4-0.8) sur lesquelles ont été superposés les axes dynamiques (lignes pointillées) et les pics de dispersion de vitesses (carrés ou rectangles).

Le consortium IMAGES (Intermediate Mass Galaxies Evolution Sequence) combine les images de meilleure résolution spatiale (HST, Spitzer) avec les données spectroscopiques du VLT (FLAMES et FORS2). Il devient possible d’étudier en détail la physique de ces galaxies, et en les comparant aux galaxies locales, celle de leur évolution. La sensibilité des mesures cinématiques révèle des événements mineurs (accrétion d’un satellite) et met en évidence comment les galaxies ont assemblé leur masse stellaire durant les 8 derniers milliards d’années. Beaucoup des phénomènes observés suggèrent des fusions assez violentes. Ils sont difficiles à interpréter par des vents stellaires (« outflows ») qui devraient être piégés par la gravitation dans des galaxies aussi massives que la Voie Lactée. Du fait de leur grande densité numérique, la plupart de ces galaxies lointaines devraient être les progénitrices des grandes galaxies spirales actuelles (70% des galaxies massives locales). Ces observations remettent en question le scénario d’une formation graduelle et calme des galaxies spirales et suggère un mécanisme de préservation ou de reconstruction du disque après fusion.

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L’observation de la formation stellaire dans les galaxies lointaines révèle une forte activité dans le disque (dominé par les étoiles chaudes), dont les étoiles ont été formées en seulement 2 milliards d’années ; l’observation de leur cinématique implique qu’il leur faut doubler leur masse en 6 milliards d’années pour rejoindre la relation locale.

L’analyse détaillée des disques déjà formés il y a 6 milliards d’années révèle l’histoire de la formation de leurs étoiles. Les étoiles de ces disques se sont formées très rapidement (entre 0.5 et 2.5 milliards d’années), d’après la considérable formation stellaire observée (Spitzer). Par ailleurs ces galaxies spirales lointaines montrent un déficit d’un facteur deux en contenu (ou masse) stellaire en comparaison avec les galaxies spirales actuelles (relation masse-vitesse) impliquant une formation plus quiescente durant les derniers 6 milliards d’années.

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