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Galaxies et Univers
Les questions sur l'origine, la formation et l'évolution des galaxies et de leurs constituants (gaz, étoiles, trous noirs, matière sombre), ainsi que les interactions entre ces composantes et le « réseau cosmique » (milieu intergalactique et grandes structures), figurent parmi les thèmes fondamentaux de l'astrophysique contemporaine. Vu la nature et la complexité des phénomènes, ces questions nécessitent une approche globale et diversifiée. De plus, des observations multi-longueur d'onde sont requises pour étudier les diverses populations de galaxies, pour déterminer leurs différentes composantes, et pour détecter les galaxies les plus lointaines.
Dans ce contexte, un groupe travaille sur la structure et l'évolution des galaxies et sur des problèmes associés de l'astrophysique théorique. Ce groupe a ainsi obtenu des résultats originaux et fondamentaux, allant de la dynamique chaotique dans les galaxies spirales, au lien évolutif entre les bulbes et les barres galactiques, ou sur les effets quantiques que les neutrinos cosmologiques impriment sur les structures cosmologiques. Le groupe étudie également une hypothèse originale de matière sombre baryonique impliquant de l'hydrogène et hélium à une température proche de 3K. A ce propos, en vue de pouvoir étudier la matière très froide et presque invisible dans les galaxies, mais au mieux avec les ondes millimétriques, le groupe développe une composante observationnelle utilisant l'actuelle et la prochaine génération d'interféromètres millimétriques et sub-millimétriques, particulièrement l'Atacama Large Millimeter Array (ALMA) au Chili. Dès 2012, ALMA va multiplier entre 10 et 100 fois les performances actuelles. Ce noyau d'expertise en astronomie millimétrique, nouveau en Suisse, est développé en vue de servir de support aux autres astronomes s'intéressant à utiliser les mêmes techniques pour d'autres objets (Univers profond, ou formation d'étoiles et de planètes).
La formation et l'évolution des étoiles et des galaxies au cours de l'histoire de l'Univers, et l'étude des premières galaxies en particulier, sont des thèmes majeurs de l'astrophysique. Ce sujet de recherche, en plein essor, fait appel aux observations réalisées avec les instruments les plus performants au sol, le Very Large Telescope (VLT) de l'ESO et dans l'espace (Hubble Space Telescope HST, ou SPITZER). En particulier, ces instruments ont permis de détecter les galaxies les plus lointaines, observées telles qu'elles étaient à peine 1 milliard d'années après le Big Bang. Ces observations représentent ainsi des « machines à remonter le temps » retraçant en direct la formation des étoiles et des galaxies sur la quasi-totalité de l'histoire de l'Univers.
Les approches suivies incluent la théorie, les simulations numériques (hydrodynamique, N-corps, transfert radiatif, modèles de spectres de galaxies etc.), les observations, ainsi que l'interprétation de celles-ci. Pour ce faire les groupes développent et utilisent des codes numériques, font des simulations, maintiennent des grappes de calcul parallèle, et participent à de nombreuses observations exploitant les instruments/infrastructures existants.
Parmi les questions actuelles sur lesquelles sont concentrés les efforts figurent :
- Quand se forment les premières galaxies?
- Quelles sont leurs propriétés et leur contribution à la reionisation?
- Comment contraindre les propriétés de la matière noire, baryonique ou non?
- Existe-t-il une population significative de galaxies obscurcies par les poussières à grand redshift?
- Quel est le lien entre différentes populations de galaxies?
- Comment évoluent le contenu en gaz, poussières et étoiles dans les galaxies?
Pour atteindre ces objectifs des observations ultra-profondes et multi-longueur d'onde (surtout visible, IR proche, IR, et sub-mm) au sol et dans l'espace seront entreprises, en particulier avec le VLT, HST, SPITZER, HERSCHEL, IRAM et bientôt ALMA. Des outils de simulation et de modélisation, de prime importance pour l'interprétation de ces données, seront également améliorés.
Les études entreprises dans le domaine Galaxies et Univers concernent un vaste champ de la physique des galaxies, de la formation stellaire, des populations stellaires et du milieu interstellaire, avec des conséquences intéressantes pour d'autres domaines, tels que la physique stellaire et la cosmologie. Certaines de ces thématiques bénéficient ainsi de synergies intéressantes avec d'autres groupes de recherche du Département d'astronomie de l'UNIGE, du Département de Physique (CAP) et du Laboratoire d'Astrophysique de l'EPFL (LASTRO).
Les thèmes étudiés dans le Département s'insèrent parfaitement dans les objectifs majeurs en astrophysique moderne, tels qu'identifiées dans diverses « feuilles de route » (p.ex. la Roadmap Suisse de l'Astronomie 2007-2016, le plan stratégique Européen ASTRONET). Ces sujets figurent également parmi les justifications principales pour la construction de nouveaux télescopes, observatoires et satellites, tels que ALMA, le E-ELT et le JWST.