Les simulations cosmologiques rendent visible la croissance des galaxies sur des milliards d’années. À partir de la répartition de matière dans l’Univers jeune, IllustrisTNG calcule l’évolution conjointe de la matière noire, du gaz, des étoiles, des trous noirs et des champs magnétiques. Les travaux et les visualisations officielles de TNG50 montrent comment le gaz s’accumule, forme des étoiles et construit des disques galactiques grâce à l’interaction entre apports de gaz et rétroaction.
Points clés
- IllustrisTNG utilise le code AREPO pour calculer l’évolution des galaxies dans un univers virtuel, en suivant ensemble matière noire, gaz, étoiles, trous noirs supermassifs et champs magnétiques.
- Un film officiel de TNG50 suit une galaxie qui développe un disque ordonné à partir de gaz turbulent. À l’époque actuelle, sa masse est comparable à celle d’Andromède.
- La rétroaction des étoiles et des trous noirs transmet de l’énergie au gaz environnant. Avec les apports continus de gaz, elle régule la croissance galactique.
- Le modèle est calibré et testé à l’aide de statistiques observationnelles. Il explique des tendances au sein des populations de galaxies ; la physique à plus petite échelle exige encore des approximations.
Le gaz afflue depuis les environs. De petites structures se rapprochent et fusionnent, tandis qu’un disque en rotation se dessine progressivement au centre. Les superordinateurs transforment des milliards d’années de croissance galactique en une séquence continue, révélant comment une galaxie émerge de son environnement cosmique. Les travaux et les visualisations publiques d’IllustrisTNG font de cette longue histoire un processus physique que l’on peut suivre, analyser et comparer aux observations.
La matière évolue, les galaxies émergent
IllustrisTNG crée un vaste volume d’espace virtuel et le fait évoluer depuis l’Univers jeune, à un décalage vers le rouge de z = 127, jusqu’à l’époque actuelle, à z = 0. Le calcul suit la gravité de la matière noire, les mouvements et le refroidissement du gaz, ainsi que les champs magnétiques. Il intègre aussi la formation des étoiles, la production d’éléments chimiques, la croissance des trous noirs et la rétroaction énergétique. Les formes des galaxies apparaissent progressivement grâce à l’interaction de ces processus.
Les structures de matière noire fournissent l’ossature gravitationnelle, tandis que le gaz s’accumule dans les régions les plus denses de la toile cosmique. En refroidissant, il peut alimenter la formation stellaire. Rotation, accrétion et fusions modifient sans cesse la taille et la forme des galaxies. Les chercheurs peuvent alors déterminer quelles histoires de croissance favorisent le maintien d’un disque et quelles interactions transforment une galaxie.
Un disque ordonné naît du gaz turbulent
Un film officiel de TNG50 suit une galaxie appelée g1. Au début, elle forme rapidement des étoiles dans un réservoir de gaz turbulent. Lorsque le décalage vers le rouge passe sous environ 2, le gaz s’organise peu à peu en un disque plus ordonné. Une évolution ultérieure relativement calme, sans fusion majeure, permet à la rétroaction stellaire et aux apports de gaz de tendre vers un équilibre. À l’époque actuelle, la galaxie simulée possède une masse comparable à celle d’Andromède. La scène du Groupe local présente Andromède et les galaxies voisines dans leur environnement spatial ; g1 est un exemple simulé.
Cet exemple rejoint les études de TNG50 sur les populations de galaxies. Le modèle prédit qu’au fil du temps cosmique, les formes en disque deviennent plus fréquentes parmi les galaxies qui forment des étoiles. La haute résolution de TNG50 permet d’étudier ensemble l’épaisseur, la forme et la rotation de nombreuses galaxies, au-delà d’une seule histoire de croissance spectaculaire.
Les galaxies reçoivent du gaz et en expulsent
Au cours de leur croissance, la matière continue d’affluer vers l’intérieur, tandis que de l’énergie est transmise vers l’extérieur. Les supernovæ et les trous noirs supermassifs en accrétion injectent de l’énergie dans le gaz environnant, entraînant des écoulements à l’échelle galactique. Cette rétroaction peut chauffer le gaz, éloigner une partie de la matière et modifier les réserves disponibles pour la formation ultérieure d’étoiles.
Une étude complémentaire de TNG50 analyse ces écoulements sortants et montre comment la rétroaction des étoiles et des trous noirs façonne conjointement le gaz autour des galaxies. En considérant à la fois les entrées et les sorties, une galaxie apparaît comme un système qui échange continuellement de la matière avec son environnement. La construction de son disque et le rythme de formation stellaire sont liés à ces échanges.
Confronter les galaxies virtuelles au ciel réel
IllustrisTNG est calibré à partir de statistiques observées, comme la répartition des masses et les tailles des galaxies, les relations entre les trous noirs et leurs galaxies hôtes, ainsi que l’histoire de la formation stellaire cosmique. D’autres observations servent ensuite à tester les prédictions. Les calculs reproduisent de nombreuses propriétés des populations de galaxies et permettent de repérer les écarts qui subsistent entre le modèle et l’Univers réel.
Les simulations ont une résolution spatiale et une résolution en masse limitées. Certains détails de la naissance des étoiles et du voisinage immédiat des trous noirs doivent donc être décrits par des modèles approchés, fondés sur des observations et des études à plus petite échelle. Au-delà de l’apparition des bras spiraux, l’enjeu est de savoir si une même physique peut expliquer de nombreuses galaxies différentes à la fois. Lorsque l’univers virtuel développe des structures ressemblant à celles du ciel, il offre un moyen concret de comprendre pourquoi les galaxies ont leur forme actuelle.
Le cycle de matière qui fait grandir les galaxies
L’image ci-dessous rassemble ces échanges dans un cycle. Le gaz bleu afflue depuis les environs vers la galaxie et renouvelle le combustible destiné à la formation d’étoiles. Le gaz doré, entraîné par la rétroaction des étoiles et des trous noirs, s’étend au-dessus et au-dessous du disque en suivant les voies de moindre résistance. Une partie de ce gaz ralentit et retombe vers les régions externes de la galaxie le long des arcs violet pâle, formant une fontaine galactique. Ces mouvements redistribuent le gaz et interagissent avec la croissance du disque. Les couleurs, les flèches et les proportions distinguent les processus sans représenter des valeurs précises à un instant donné.
