Galaxies

Nos recherches sur l’évolution des galaxies couvrent un large éventail d’échelles, depuis leur formation, leurs propriétés physiques et leur structure interne, jusqu’aux processus de formation stellaire et à l’influence de leur environnement, notamment les amas de galaxies. Ces structures sont étudiées sur l’ensemble du temps cosmique, depuis la naissance des premières galaxies jusqu’aux objets les plus proches dans l’Univers actuel. Ces travaux s’appuient à la fois sur des observations multi-longueurs d’onde réalisées avec des observatoires de pointe (ALMA, JWST, VLT, IRAM, Euclid, XMM et Chandra), et sur des simulations cosmologiques et d’évolution des galaxies de dernière génération, exécutées sur les plus grands supercalculateurs européens. Une interaction étroite et continue entre observations et simulations est recherchée afin de maximiser l’interprétation des données et de fournir les contraintes les plus robustes aux modèles de formation des structures.

Comment et quand les galaxies sont-elles devenues ce que nous observons aujourd’hui ?

L’une des questions centrales qui anime les recherches du LCEG est de comprendre le cycle de vie complet des galaxies : comment elles ont assemblé leur masse stellaire, développé leurs morphologies caractéristiques, et progressivement évolué depuis les systèmes turbulents et riches en gaz du jeune Univers vers la population diversifiée que nous observons aujourd’hui. En combinant des relevés profonds multi-longueurs d’onde et des analyses spectroscopiques, l’équipe retrace les propriétés physiques des galaxies — leurs morphologies, leurs taux de formation stellaire et leurs distributions de masse stellaire — sur plusieurs milliards d’années d’histoire cosmique.

Une part importante des activités du LCEG se concentre sur l’Univers à grand redshift, où des instruments comme JWST et ALMA ont récemment ouvert une nouvelle fenêtre sur les premières galaxies, quelques centaines de millions d’années après le Big Bang. Nous y étudions notamment comment les premières galaxies massives ont pu croître si rapidement, remettant en question certaines hypothèses sur l’Univers primordial. À plus bas redshift, nous analysons également l’évolution structurelle des galaxies, en examinant comment elles construisent leurs bulbes et leurs disques à travers une combinaison complexe de dynamiques internes et d’interactions avec leur environnement. Un point clé de ces recherches concerne le phénomène d’extinction de la formation stellaire (« quenching »), c’est-à-dire les processus par lesquels les galaxies cessent progressivement — ou parfois brutalement — de former des étoiles pour devenir des systèmes passifs, dits « rouges et morts ». Ces observations sont systématiquement comparées aux prédictions issues des simulations numériques, afin de tester et d’affiner les modèles d’évolution des galaxies.

Quels processus régulent la formation stellaire au cours du temps cosmique ?

Comprendre ce qui contrôle la formation stellaire demeure l’une des grandes questions ouvertes de l’astrophysique extragalactique. La majorité des galaxies évolue de manière relativement régulière le long d’une « séquence principale », convertissant leur gaz en étoiles à un rythme dicté par leur masse. Une fraction plus faible connaît des épisodes intenses de formation stellaire (« starbursts »), tandis que les systèmes les plus massifs finissent par cesser toute formation d’étoiles et rejoignent la population « rouge et morte ».

Au LCEG, nous étudions les mécanismes physiques à l’origine de ces différents régimes, en portant une attention particulière à l’équilibre entre apport de matière (« fueling ») et rétroaction (« feedback »). D’une part, nous analysons comment les galaxies sont alimentées en continu par de vastes réservoirs de gaz moléculaire — le carburant de la formation stellaire — provenant de l’accrétion froide depuis le réseau cosmique et/ou du milieu circumgalactique. D’autre part, nous étudions les processus de rétroaction capables de réguler, voire de supprimer complètement, la formation stellaire : rétroaction des étoiles (explosions de supernovae, pression de radiation) ou des noyaux actifs de galaxies (AGN), via des vents puissants. Les observations infrarouges et submillimétriques sont essentielles dans ce contexte, car la majorité de l’activité de formation stellaire est obscurcie par la poussière et n’est visible qu’à ces longueurs d’onde. De manière complémentaire, l’étude de galaxies hôtes de sursauts gamma offre une fenêtre unique sur les conditions du milieu interstellaire dans des galaxies faibles et autrement inaccessibles, permettant de retracer leur histoire de formation stellaire et leurs propriétés internes via des observations en absorption.

Amas de galaxies et impact des grandes structures sur l’évolution des galaxies

Au-delà des galaxies individuelles, nous étudions les plus grandes structures gravitationnellement liées de l’Univers : les amas de galaxies et leurs progéniteurs à grand redshift, les proto-amas. Les amas de galaxies, ainsi que leurs ancêtres à haut redshift, constituent de véritables laboratoires cosmiques pour comprendre comment les structures à grande échelle se forment et évoluent, et comment ce processus influence l’évolution des galaxies.

Au LCEG, nous détectons et caractérisons activement ces (proto-)amas dans l’Univers proche comme lointain. En exploitant de riches jeux de données multi-longueurs d’onde — comprenant des observations optiques, infrarouges, submillimétriques et des données X profondes — nous cartographions aussi bien les galaxies membres de plus faible brillance de surface que les vastes réservoirs de gaz intergalactique qui les entourent.Nos recherches explorent la physique complexe du milieu intra-amas, notamment la turbulence, la dissipation et les processus de rétroaction. Nous étudions comment ce gaz influence l’évolution des galaxies, en utilisant en particulier les galaxies à faible brillance de surface comme traceurs particulièrement sensibles. Enfin, nous examinons la transition entre des galaxies alimentées par des écoulements filamentaires froids et primitifs et celles plongées dans les environnements d’accrétion chaude des halos massifs. À travers ces travaux, nous cherchons à déterminer précisément comment l’environnement des amas façonne le cycle de vie des galaxies, leur alimentation en gaz et leur extinction finale.