Impact des fusions majeures sur l'évolution des galaxies spirales et naines

La decouverte de l'expansion de l'univers par Edwin Hubble en 1929 et l'etude de modeles cosmologiques ont retire a l'univers son image statique et infinie; l'univers evolue depuis plus de 13 milliards d'annees, depuis le Big Bang. Le modele cosmologique standard hierarchique ΛCDM predit que, durant cette evolution, les halos de matiere noire auraient principalement accrete de la masse par fusions successives. L'evolution des baryons, qui se trouveraient etre en quantite bien plus faible, aurait suivi celle de la matiere noire. Deux types de fusions auraient structure l'evolution des galaxies : les fusions mineures et majeures. De plus, une accretion continue de gaz froid, similaire a de nombreuses fusions mineures, aurait aussi pu jouer un role dans l'assemblage de la masse des galaxies. Les fusions mineures et l'accretion de gaz entrainent une evolution douce des galaxies. A contrario, les fusions majeures modifient brutalement la morphologie aussi bien que la cinematique des galaxies en fusion et forment ainsi de nouvelles galaxies. Une derniere forme d'evolution apparait lorsque la galaxie est isolee ou pendant une periode separant deux episodes de fusion : l'evolution seculaire. La morphologie et la cinematique d'une galaxie peuvent alors changer via des perturbations internes ou generees par la derniere fusion. L'evolution seculaire n'ajoute pas de masse a la galaxie; seule, elle est insuffisante pour creer une galaxie. Pour mieux contraindre l'evolution des galaxies, je me suis tout d'abord penche sur l'evolution des galaxies durant les huit derniers milliards d'annees. Dans cette optique, j'ai travaille sur des donnees observationnelles du programme IMAGES (Intermediate MAss Galaxies Evolution Sequence), une etude, basee sur 63 galaxies situees a des redshifts intermediaires (z ∼ 0.6), ayant pour objectif de dresser un portrait de l'etat des galaxies a redshifts intermediaires et de comprendre les mecanismes a l'oeuvre dans leur evolution. J'ai principalement utilise les methodes de travail developpees sur l'echantillon du projet IMAGES pour 12 nouvelles galaxies ayant un redshift moyen legerement plus grand (z ∼ 0.7 au lieu de 0.6). Avec les donnees du HST provenant du releve GOODS, j'ai classe morphologiquement les galaxies du nouvel echantillon. Puis, utilisant les donnees du spectrographe multi-objets GIRAFFE, j'ai determine la cinematique de ces galaxies. Je retrouve, pour une plus petite statistique, les resultats du projet IMAGES : la fraction importante de galaxies particulieres qui representent plus de 50% des galaxies de masses intermediaires a des redshifts intermediaires, au detriment des galaxies spirales ; une correlation entre la classe morphologique des galaxies spirales et celle cinematique des galaxies en rotation; une tendance pour les galaxies particulieres a avoir une cinematique complexe ou perturbee. Ces resultats impliquent que les galaxies ont change de morphologie entre z = 0.7 et z = 0. Les galaxies ayant une cinematique complexe ou perturbee sur de grandes echelles (> 5 kpc) requierent des mecanismes bouleversant l'ensemble du gaz. Le mecanisme d'evolution le plus apte a les expliquer est la fusion majeure plutot que l'accretion lente de gaz ou la fusion mineure de galaxies naines. Les galaxies elliptiques de l'univers proche etant deja en place a z > 1, les galaxies particulieres ont du alors evoluer en galaxies spirales. Tester le scenario de reconstruction des galaxies spirales apres une fusion majeure a ete le second axe de mon travail de recherche. La fraction de gaz, plus elevee dans le passe (> 50 % a z ∼ 1 − 2), joue un role primordial dans ce processus de reconstruction. Une partie du gaz en se refroidissant apres une fusion majeure tombe dans le potentiel de la galaxie tout en conservant son moment angulaire et peut ainsi reformer un disque. Hammer et al. (2005a) interprete la formation stellaire sur les huit derniers milliards d'annees ainsi que l'evolution de la morphologie et des abondances des galaxies par des episodes de fusions majeures suivis de formation de galaxies spirales par reconstruction d'un disque. Suivant ce scenario, de nombreuses galaxies spirales de l'univers proche resulteraient d'une fusion majeure. La galaxie M31 semble etre une bonne candidate pour ce type de phenomene. Elle a un nombre d'amas globulaires et de galaxies naines pres de deux fois superieur a celui de la Voie Lactee, plusieurs courants stellaires dont le Giant Stream et surtout un bulbe classique. J'ai participe au travail de reconstruction de M31 apres une fusion majeure via des simulations numeriques afin de tester cette hypothese. Une fusion majeure de rapport de masse ∼ 3, avec des fractions de gaz depassant les 60 % et comprenant un premier passage il y a 8-9 milliards d'annees et une fusion il y a 5-6 milliards d'annees, reproduit les structures morphologiques et cinematiques principales de M31 (bulbe, disque epais, disque mince, Giant Stream), renforcant ainsi le scenario de reconstruction du disque apres une fusion majeure. Mon dernier travail de recherche a porte sur les consequences des fusions majeures sur leur environnement. En effet, les debris ejectes d'une fusion majeure peuvent atteindre des masses de plus de 15 % de la masse baryonique totale des galaxies en fusion. La majeure partie de la matiere ejectee a grande distance pourrait etre due a la formation de queues de maree durant la fusion. A l'interieur de ces queues de maree, de nouvelles galaxies naines peuvent se former, des galaxies naines de maree. Une fusion majeure peut donc etre la source de la formation de nouvelles galaxies. Si la majeure partie des galaxies spirales se sont formees par fusions majeures, les consequences de ces dernieres ne peuvent etre negligees. Plus particulierement, la fusion majeure qui serait a l'origine de M31 aurait pu essaimer des galaxies naines dans le Groupe Local. Il se trouve que les galaxies naines de la Voie Lactee ont deux particularites : une distribution spatiale en forme de plan epais, denommee VPOS (Vast Polar Structure), et la presence de deux galaxies naines irregulieres, les Nuages de Magellan (MC pour Magellanic Cloud), tres proches de la Voie Lactee (< 60 kpc). Mon travail a consiste a tester l'hypothese qu'une queue de maree, ejectee par la fusion majeure de M31, ait pu former les galaxies naines compagnons de la Voie Lactee. Ce scenario est probant pour reproduire leur distribution spatiale et la distribution de leur moment angulaire. Cependant, il semble en contradiction avec les rapports M/L eleves dans les galaxies naines spheroidales deduits des mesures de dispersion de vitesse. Ces rapports s'expliqueraient par la presence de grandes quantites de matiere noire alors que les galaxies naines de maree en sont depourvues par essence. Cette apparente contradiction pourrait s'expliquer si l'hypothese de la stabilite interne des galaxies naines est abandonnee. Plus generalement, cette etude relance la question de l'origine des galaxies naines. Sont-elles des reliques des galaxies primordiales de l'univers ou le resultat de fusions majeures? Si le phenomene de fusion majeure est confirmee comme le mecanisme principal de formation des galaxies spirales et si des etudes demontrent qu'un grand nombre de galaxies naines de maree sont creees lors de ces evenements, la recherche sur la formation, le nombre et la distribution spatiale des galaxies naines sera alors a revoir.