Les experts tentent de résoudre ce débat : les galaxies ayant plus de voisines sont-elles plus grandes ou petites ?

Grâce à de vastes ensembles de données et à un puissant télescope à caméra, des chercheurs ont récemment résolu un débat de longue date sur la question de savoir si les galaxies regroupées les unes autour des autres sont plus petites ou plus grandes.

Image d'Abell 2218, un amas galactique dense situé à environ 2 milliards d'années-lumière de la Terre. Crédit : NASA/ESA/Johan Richard.
Image d'Abell 2218, un amas galactique dense situé à environ 2 milliards d'années-lumière de la Terre. Crédit : NASA/ESA/Johan Richard.

Les astrophysiciens ont longtemps débattu de la taille et de l'environnement d'une galaxie. Certains ont émis l'hypothèse que les galaxies en amas étaient plus petites que les galaxies individuelles, tandis que d'autres astronomes sont arrivés à la conclusion inverse. Cependant, la recherche scientifique n'a donné que des résultats contradictoires sur la relation entre la taille des galaxies et leur environnement.

Résoudre le débat sur les étoiles

Une étude publiée récemment a tenté de trancher le débat, après avoir constaté que les galaxies ayant plus de voisins avaient tendance à être plus grandes que d'autres galaxies dans des environnements moins denses, même si elles avaient une forme et une masse similaires.

L'étude, publiée dans The Astrophysical Journal, a été réalisée par des chercheurs de l'université de Washington, de l'université de Yale, de l'université de Waseda et de l'institut Leibniz d'astrophysique de Potsdam, en Allemagne.

Elle affirme que les galaxies situées dans des régions plus denses de l'univers sont jusqu'à un quart plus grandes que les galaxies isolées. Pour parvenir à cette conclusion, les chercheurs ont utilisé un outil d'apprentissage automatique appelé GaMPEN - Galaxy Morphology Posterior Estimation Network - pour analyser des millions de galaxies, avec l'aide du télescope Subaru à Hawaï.

Certaines galaxies sont isolées les unes des autres, selon le coin où elles se trouvent dans l'univers. Cette image représente la galaxie spirale NGC 4414. Crédit : par l'équipe Hubble Heritage (AURA/STScI/NASA)Siège de la NASA - Les plus grandes images de la NASA (NASA-HQ-GRIN).
Certaines galaxies sont isolées les unes des autres, selon le coin où elles se trouvent dans l'univers. Cette image représente la galaxie spirale NGC 4414. Crédit : par l'équipe Hubble Heritage (AURA/STScI/NASA)Siège de la NASA - Les plus grandes images de la NASA (NASA-HQ-GRIN).

Environ 3 millions de galaxies avec les données de la plus haute qualité ont été sélectionnées. L'algorithme d'apprentissage automatique a déduit la taille de chacune d'entre elles. L'équipe a ensuite pu mesurer les galaxies voisines d'une galaxie à l'aide d'un cercle (un peu comme un transect utilisé pour compter la flore dans les études écologiques).

Il existe un schéma clair selon lequel les galaxies ayant plus de voisins sont, en moyenne, plus grandes. Pourquoi ? Les galaxies les plus densément regroupées pourraient être plus grandes depuis leur origine ou fusionner avec leurs voisines les plus proches. Le mystère pourrait même résider dans la matière noire et son fonctionnement insaisissable, car on sait que les galaxies sont gravitationnellement attirées par l'influence de la matière noire.

« Les astrophysiciens théoriciens devront réaliser des études plus approfondies à l'aide de simulations pour établir de manière concluante pourquoi les galaxies ayant plus de voisins ont tendance à être plus grandes », explique M. Ghosh. « Pour l'instant, le mieux que nous puissions dire est que nous sommes convaincus de l'existence de cette relation entre l'environnement des galaxies et leur taille.

Questions sur la formation des galaxies

Cela soulève de nouvelles idées sur la façon dont les galaxies se sont formées et ont évolué pendant des milliards d'années. « Les théories actuelles sur la formation et l'évolution des galaxies ne peuvent pas expliquer de manière adéquate le fait que les galaxies en amas sont plus grandes que leurs homologues identiques dans les régions moins denses de l'univers », explique l'auteur principal, Aritra Ghosh, chercheur postdoctoral et LSST-DA Catalyst Fellow.

« C'est l'un des aspects les plus intéressants de l'astrophysique. Parfois, ce que les théories prédisent que nous devrions trouver et ce qu'une étude trouve en réalité ne correspondent pas, alors nous revenons en arrière et essayons de modifier les théories existantes pour mieux expliquer les observations ».

Bien qu'il ait fait l'objet de nombreux débats, ce modèle semble clair à partir de l'énorme ensemble de données, soutenu par des outils d'analyse d'apprentissage automatique et par le puissant télescope Subaru à Hawaï.

Ghosh, co-auteur de l'étude, a déclaré : « Une leçon importante que nous avions apprise avant cette étude est que l'étude d'un grand nombre de galaxies n'est pas suffisante pour résoudre cette question.

« Une analyse statistique minutieuse est également nécessaire. Les outils d'apprentissage automatique qui peuvent quantifier avec précision le degré d'incertitude de nos mesures des propriétés des galaxies y contribuent en partie. »

Il s'agit d'un exemple d'analyse complexe de grands ensembles de données, tels que ceux que l'on trouve dans le big data, qui accélère chaque jour l'astronomie, en particulier avec le développement de nouveaux télescopes à caméra puissants. L'un de ces télescopes est l'observatoire Vera C. Rubin au Chili.

M. Ghosh pense que l'utilisation de grands ensembles de données deviendra la norme en astronomie. Il en sera peut-être de même pour l'utilisation de l'IA et de l'apprentissage automatique.

Référence de l'article :

Aritra Ghosh et al (2024). Denser Environments Cultivate Larger Galaxies: A Comprehensive Study beyond the Local Universe with 3 Million Hyper Suprime-Cam Galaxies. ApJ 971 142 DOI 10.3847/1538-4357/ad596f

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