En analysant un échantillon de 200 galaxies dans l'Univers lointain, des astrophysiciens du CNRS ont reconstitué l'histoire de la formation des grandes galaxies spirales. Elles ont grandi par collisions et fusions successives de galaxies plus petites, durant lesquelles de nombreuses étoiles sont nées. Mais on pensait que ce mécanisme avait pratiquement cessé il y a 8 milliards d'années. Or, les recherches publiées dans la revue Astronomy & Astrophysics montrent que les galaxies ont continué de croître, donnant naissance à la moitié des étoiles actuelles. Aujourd'hui, la plupart des grandes galaxies sont des galaxies spirales : au centre, le bulbe de symétrie elliptique est entouré d'un disque, doté de bras où les jeunes étoiles se concentrent. Notre galaxie, la Voie Lactée, ainsi que sa voisine la plus proche, Andromède, sont des galaxies spirales. Quand et comment ces galaxies se sont-elles formées ? C'est ce qu'une équipe d'astrophysiciens du CNRS1, en collaboration avec des chercheurs du CEA2 et de l'ESO3, ont déterminé en travaillant sur des galaxies qui émettent la plus grande partie de leur rayonnement dans l'infrarouge. Depuis quelques années, François Hammer et ses collègues ont utilisé le satellite Infrared Space Observatory pour observer les galaxies de l'Univers lointain dans l'infrarouge, ainsi que le télescope spatial Hubble et le Very Large Telescope, installé au Chili pour les observations dans le visible.
Ils ont étudié 200 galaxies, situées à une distance de 4 à 8 milliards d'années lumière de la Terre. Ils ont ainsi assisté au déroulement de leur vie alors que l'Univers était beaucoup plus jeune qu'aujourd'hui (en vertu du principe selon lequel regarder loin dans l'Univers, c'est regarder loin dans le passé).Ces recherches ont abouti à trois résultats majeurs. Les galaxies infrarouges représentent 15 pour cent des galaxies de l'Univers lointain, contre 0.5 pour cent seulement dans l'Univers local (à moins d'un milliard d'années de nous). Il y a 4 à 8 milliard d'années, les galaxies ont donc connu des épisodes de formation stellaire intenses. Plus précisément, la moitié des étoiles actuelles s'est formée durant les 8 derniers milliards d'années, principalement dans les galaxies infrarouges. Enfin, il y a 4 à 8 milliards d'années, les galaxies étaient nettement moins abondantes en oxygène, ce qui confirme le résultat précédent.
En effet, à l'échelle de temps considérée, la formation d'étoiles se confond à l'apparition d'éléments lourds comme l'oxygène : les étoiles, une fois formées, explosent rapidement en supernovae, dispersant des éléments lourds autour d'elles. Quelle est la cause des épisodes de formation stellaire intenses ? Selon ces observations, il s'agit de l'interaction gravitationnelle, qui provoque la rencontre et la fusion des galaxies. Le gaz interstellaire est alors fortement comprimé dans certaines régions, ce qui déclenche des bouffées de formation stellaire. Les morphologies des galaxies infrarouges de l'Univers lointain, beaucoup plus perturbées que les spirales régulières de l'Univers local, témoignent des fusions en cours.
Cette histoire révélée par les nombreuses galaxies infrarouges est en accord avec le scénario de formation hiérarchique des galaxies, établi par les cosmologistes il y a une vingtaine d'années. Selon ce scénario, de petites galaxies s'assemblent pour en former de plus grandes, au cours de fusions successives. Mais on pensait que ces fusions avaient pratiquement cessé il y a 8 milliards d'années. Les astrophysiciens viennent de montrer que ce n'est pas le cas. Durant les 4 milliards d'années suivants, les galaxies ont continué de fusionner pour donner les grandes galaxies spirales, telles que nous les connaissons aujourd'hui.
