La combinaison d’observations spatiales ou au sol a permis à ce jour de définir avec une précision inégalée les paramètres cosmologiques comme les densités d’énergie de la matière baryonique ou de la matière noire, la densité d’énergie résultant de la constante cosmologique (souvent interprétée comme énergie du vide), mais aussi la constante de Hubble (qui définit la vitesse d’expansion de l’Univers au cours du temps). Néanmoins, le mystère de la formation et de l’évolution des galaxies semble résister à ces nouveaux assauts théoriques et observationnels.

Les galaxies nous apparaissent différentes les unes des autres et semblent même avoir un comportement social qui les définit mieux encore que leur morphologie : lorsqu’elles sont regroupées dans des régions denses de l’Univers, elles ont tendance à interagir de manière plus efficace les unes avec les autres, et convertissent ainsi plus rapidement leur gaz en étoiles. On connaît maintenant des galaxies jusqu’à des décalages spectraux allant jusqu’à z = 6, mais on n’ose plus parler de l’époque de formation des galaxies au cours de l’histoire de l’Univers tellement celle-ci est étalée dans le temps. L’époque où l’on pensait pouvoir caractériser l’instant de naissance d’une galaxie est révolu, et l’on pense aujourd’hui que formation et évolution des galaxies ne font qu’un. Si l’on cherchait l’ancêtre d’une galaxie comme la Voie lactée d’aujourd’hui, on trouverait une centaine de galaxies de plus petite masse, qui ont fusionné au cours du temps. De plus, en étudiant le domaine infrarouge et non pas le domaine visible comme on le faisait classiquement, on sait maintenant que la formation d’étoile, qui mesure la jeunesse d’une galaxie, est un processus continu. Le Dapnia a grandement contribué à cette découverte, grâce surtout à son engagement majeur dans le satellite ISO (Infrared Space Observatory) .

Le Dapnia a donc concentré ses efforts dans le domaine de la formation des galaxies selon une approche de type multi-longueurs d’ondes et multi-échelles. Au cours de ces quatre dernières années des résultats importants sur la formation des galaxies ont été obtenues grâce au satellite ISO, et cela bien après son arrêt. Dans le même temps, une abondante moisson de résultats à été réalisée dans le domaine du rayonnement X, grâce au satellite XMM Newton.
Ces deux expériences spatiales, associées à plusieurs campagnes d’observations depuis les télescopes au sol IRAM (Espagne), CFHT (Hawaï), VLT(Chili) et du Keck (Hawaï), et à de grands programmes utilisant le télescope spatial Hubble, ont complété le panorama des connaissances et ouvert la voie à de nouvelles questions sur les domaines de la formation des galaxies et des amas.
Le Dapnia a participé à la préparation scientifique d’instruments récemment mis en fonction comme la caméra à grand champ Megacam – développée sous la maîtrise d’œuvre du Dapnia – et le télescope spatial de la Nasa Spitzer (anciennement dénommé SIRTF) ; les équipes du département prennent part aux deux plus grands programmes de ce dernier, Goods et Swire, en combinant plus de 1500 heures d’observation. Le département s’investit aussi dans la préparation scientifique d’instruments de nouvelle génération, comme le satellite en infrarouge lointain et sub-millimétrique Herschel et le successeur du télescope spatial Hubble, le JWST (James Webb Space Telescope).
Les deux études majeures présentées ci-dessous sont représentatives de celles effectuées selon cette stratégie.

Galaxies en interaction et naines de marée

Le milieu intergalactique (MIG) contient des quantités restées longtemps insoupçonnées de matière d'origine galactique : nuages de gaz d'hydrogène atomique pré-enrichis, régions d’hydrogène ionisé (HII), nébuleuses planétaires, supernovæ y ont été récemment détectés. S’y ajoutent des éléments lourds plus abondants dans le milieu intra-amas que dans les galaxies. Ils constituent des reliquats de l’évolution galactique et témoignent de l'influence des galaxies sur leur environnement. Parmi les processus d’enrichissement du MIG comme les super-vents associés aux flambées de formation stellaire, les jets émanant de noyaux actifs ou le balayage par pression dynamique exercé par le gaz chaud intra-amas sur le milieu interstellaire, les collisions de marée figurent désormais en bonne place. Le rôle des interactions entre galaxies pour alimenter les régions centrales a depuis longtemps été mis en avant. On comprend aujourd’hui que les forces de marée contribuent à expulser dans le MIG des quantités significatives de matériaux stellaire et surtout gazeux. En juillet 2001, la cartographie de l'émission de gaz CO du groupe compact HCG 92 (le « quintette de Stephan ») a permis la découverte dans le milieu inter-groupe de réserves de gaz moléculaire en quantité équivalente au contenu total de la Voie lactée. Des observations avec l'interféromètre du plateau de Bure ont ensuite montré que des nuages compacts contribuent pour moitié à l’émission. Une partie importante du gaz a probablement été directement arrachée à l’une des galaxies du groupe.

. Un autre processus entrant en jeu dans l'émission de CO – détectée dans environ 70 % des condensations massives d’hydrogène (HI) présentes dans les queues de marée – est la formation in situ de la composante moléculaire qui suit l'effondrement de nuages d'hydrogène atomique expulsés par effet de marée. La coïncidence en position et vitesse des émissions de HI et CO appuie ce scénario. Ces réserves de gaz alimentent des épisodes de formation stellaire dans le milieu intergalactique. De nouvelles galaxies peuvent naître de ces transferts de matière : les galaxies naines de marée étudiées de longue date par des chercheurs du Dapnia.

Fond diffus cosmologique et galaxies distantes

À côté du fond diffus centimétrique dû au big bang, le satellite Cobe a permis la découverte d’un fond diffus infrarouge entre 140 et 1000 μm, mais de moindre intensité. Ceci montre qu’au cours de l’histoire de l’Univers, la lumière rayonnée par les étoiles formées au sein des galaxies a été absorbée par la poussière puis réémise thermiquement et se trouve donc principalement dans l’infrarouge (IR).
Les sondages profonds réalisés à l’aide du satellite ISO ont révélé l’existence d’une population de galaxies lumineuses dans l’IR (LIRG) près de soixante-dix fois plus nombreuses aujourd’hui que lorsque l’Univers avait la moitié de son âge actuel. Après avoir estimé leur distance (en moyenne elles sont localisées autour de z ~ 0.7), on a pu calculer qu’elles étaient responsables de près de 70 % du fond diffus extragalactique infrarouge, résolvant ainsi l’énigme posée par l’origine de ce fond intense.
La conséquence directe de cette étude a été de réviser notre compréhension de l’histoire cosmique de la formation des étoiles. Le résultat majeur de cette étude a été de constater que plus des deux tiers des étoiles présentes dans l’univers local devaient être nées au cours de flambées de formation d’étoiles. Il est connu que les interactions de galaxies tendent à leur faire perdre leur moment angulaire provoquant du même coup une forte concentration de gaz moléculaire et une ou plusieurs flambées de formation d’étoiles. On a comparé les mesures issues de l’émission IR de ces galaxies à celles de l’activité de formation d’étoiles réalisées grâce à un indicateur classique, la raie H_α. Il est apparu que même après correction d’absorption, l’émission H_α conduit à une sous-estimation du taux de formation des étoiles dans les LIRG. Les études précédentes de l’histoire de la formation d’étoiles utilisaient les raies d’oxygène ionisé (OII) ou H_α ou encore l’ultraviolet mais sans correction d’absorption, et ne voyait donc pas plus des deux tiers de l’activité des galaxies.
L’étude de la distribution spatiale des LIRG distantes a révélé un autre phénomène remarquable : elles sont principalement localisées dans les grandes structures de l’Univers, groupes, amas ou filaments. Leur morphologie indique d’ailleurs qu’elles subissent l’effet de leur environnement à travers des interactions avec d’autres galaxies. Ces interactions doivent se produire plus d’une fois pour expliquer la prépondérance des LIRG dans l’histoire de la formation d’étoiles de l’Univers.

Ainsi l’étude de l’Univers en infrarouge permet d’obtenir une cartographie « instantanée » des régions où les effets d’environnement déclenchent la formation d’étoiles et donc de suivre en « temps réel » la croissance des structures, par l’effet qu’elles produisent sur la conversion du gaz des galaxies en étoiles. En pratique, l’infrarouge est aussi sensible à la croissance en masse des trous noirs supermassifs au cœur des bulbes des galaxies. En combinant les observations infrarouges ISO avec les X durs mesurés avec XMM-Newton et Chandra, nous avons déterminé que l’énergie de près de 20 % des objets détectés par ISO provient principalement d’un trou noir supermassif. Ces objets sont à l’heure actuelle les meilleurs candidats pour expliquer l’origine du fond diffus X dur maximal à 30 keV.