La formation des galaxies
La formation des galaxies est l’un des processus les plus fondamentaux de l’Univers. Elle commence peu après le Big Bang, il y a plus de 13,8 milliards d’années, et se poursuit encore aujourd’hui. Les galaxies ne sont pas apparues soudainement : elles sont le résultat d’une longue évolution cosmique, guidée par la gravité, la matière noire, la physique du gaz et les interactions entre structures.
Comprendre comment les galaxies se forment permet de comprendre l’histoire de l’Univers lui‑même.
Juste après le Big Bang, l’Univers est extrêmement chaud, dense et rempli d’un plasma de particules. Environ 380 000 ans après l’événement initial, l’Univers se refroidit suffisamment pour que les électrons et les protons s’assemblent en atomes d’hydrogène : c’est l’époque de la recombinaison.
À ce moment, l’Univers devient transparent à la lumière. Ce que nous observons aujourd’hui comme le fond diffus cosmologique (CMB), mesuré par ESA Planck, est le témoin de cette époque.
L’Univers est alors presque homogène… mais pas totalement. De minuscules fluctuations de densité — des variations d’une amplitude de l’ordre de 0,00001 — sont présentes dans la matière. Ces fluctuations sont essentielles : elles sont les graines des futures galaxies.
Les conditions après le big- bang
Le rôle déterminant de la matière noire
La matière noire joue un rôle central dans la formation des galaxies. Invisible, elle représente environ 85 % de la matière totale de l’Univers (CNRS, ESA).
Elle forme des puits gravitationnels dans lesquels la matière ordinaire (hydrogène, hélium) peut s’accumuler.
Ces accumulations de matière noire sont appelées halos de matière noire. Ce sont eux qui donnent la structure initiale de l’Univers :
- les petites fluctuations deviennent des halos,
- les halos attirent du gaz,
- le gaz s’effondre,
- les premières étoiles apparaissent.
Sans matière noire, les galaxies ne pourraient pas se former : la gravité de la matière visible serait insuffisante pour créer des structures aussi vastes.
Les premières étoiles et les premières galaxies
Lorsque le gaz s’accumule dans les halos de matière noire, il s’effondre sous l’effet de la gravité. Cet effondrement crée les premières étoiles, appelées étoiles de Population III.
Ces étoiles :
- sont très massives,
- vivent très peu de temps,
- produisent les premiers éléments lourds (carbone, oxygène, fer),
- explosent en supernovae.
Leur apparition marque le début de la réionisation, une période où la lumière des premières étoiles ionise à nouveau le gaz de l’Univers.
Les premières galaxies sont donc :
- petites,
- irrégulières,
- très riches en gaz,
- dominées par des étoiles massives et chaudes.
Les observations du télescope spatial James Webb (JWST) ont permis de détecter des galaxies formées moins de 300 millions d’années après le Big Bang.
La croissance des galaxies : accrétion et fusions
Une fois formées, les galaxies ne restent pas statiques. Elles grandissent par deux mécanismes principaux :
Accrétion de gaz
Le gaz intergalactique tombe dans les halos de matière noire. Ce gaz alimente la formation d’étoiles. Les galaxies spirales, comme la Voie lactée, se développent principalement par ce processus.
Fusions de galaxies
Les galaxies se rencontrent, interagissent et parfois fusionnent. Ces fusions peuvent être :
- mineures : une grande galaxie absorbe une petite,
- majeures : deux galaxies de taille comparable fusionnent.
Les fusions majeures transforment souvent les galaxies spirales en galaxies elliptiques, pauvres en gaz et riches en étoiles âgées.
Les simulations cosmologiques (IPAC/Caltech, ESA) montrent que les grandes galaxies actuelles sont le résultat de centaines de fusions au cours de leur histoire.
L’évolution sur 13 milliards d’années
Au fil du temps, les galaxies évoluent :
Galaxies spirales
Elles conservent leur gaz, forment des étoiles, développent des bras spiraux.
Elles sont dynamiques, riches en régions de formation d’étoiles.
Galaxies elliptiques
Elles sont souvent le résultat de fusions majeures.
Elles contiennent peu de gaz et peu de formation d’étoiles. Elles sont dominées par des étoiles âgées.
Galaxies irrégulières
Souvent perturbées par des interactions.
Riches en gaz, elles forment des étoiles de manière chaotique.
Galaxies naines
Très nombreuses, elles sont les briques de base des grandes galaxies.
La Voie lactée absorbe régulièrement des galaxies naines.
Comment étudie‑t‑on la formation des galaxies ?
Les astronomes utilisent plusieurs outils :
JWST (NASA/ESA)
Observe les galaxies les plus anciennes, proches du Big Bang.
Hubble
Étudie les galaxies à différentes étapes de leur évolution.
Gaia (ESA)
Analyse la structure interne de la Voie lactée et retrace son histoire.
Sloan Digital Sky Survey (SDSS)
Cartographie des millions de galaxies pour comprendre la structure à grande échelle de l’Univers.
Simulations cosmologiques
Comme Illustris, EAGLE ou TNG, qui modélisent l’évolution des galaxies sur des milliards d’années