Comment les fils invisibles de la toile cosmique façonnent les galaxies.

Une simulation informatique de la façon dont le gaz et les étoiles dans un amas de galaxies ressemblent, mettant en évidence comment les amas de galaxies sont intégrés dans le réseau cosmique de filaments. Dans les images en couleur, l'intensité et la couleur de l'image représentent la densité et la température du gaz. Ces figures montrent des zooms successifs sur une galaxie intégrée dans un filament. En tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, les barres d'échelle représentent des longueurs de 3,3 millions d'années-lumière, 3,3 millions d'années-lumière, 330 000 années-lumière, 33 000 années-lumière. L'image en bas à droite montre les étoiles dans les galaxies de cet amas simulé, avec la barre d'échelle correspondant à 330 000 années-lumière. Le programme WISESize utilisera des observations pour mesurer la distribution spatiale du gaz et des étoiles dans les galaxies alors qu'elles se déplacent à travers le réseau cosmique qui imprègne l'univers proche. Crédit : Yannick Bahé

L'équipe du professeur Gregory Rudnick à l'Université du Kansas étudie l'évolution des galaxies et leurs processus de formation d'étoiles, financée par une importante subvention de la NSF. L'étude explore l'impact des environnements cosmiques variés sur les galaxies, impliquant des étudiants dans des programmes de recherche et d'éducation au lycée.

Les chercheurs de l'Université du Kansas espèrent mieux comprendre les mécanismes complexes derrière l'évolution des galaxies, qui se déplacent à travers une "toile cosmique" de différents environnements au cours de leur durée de vie.

Gregory Rudnick, professeur de physique et d'astronomie à l'Université du Kansas, dirige une équipe qui a récemment obtenu une subvention de 375 000 dollars de la National Science Foundation pour étudier "le contenu en gaz et les propriétés de formation d'étoiles des galaxies" qui sont modifiées en fonction de leur position dans le cosmos.

"L'objectif principal de ce projet est de comprendre l'impact des facteurs environnementaux sur la transformation des galaxies", a déclaré Rudnick. "Dans l'univers, les galaxies sont réparties de manière non uniforme caractérisée par des densités variables. Ces galaxies se regroupent en grandes grappes, comprenant des centaines à des milliers de galaxies, ainsi qu'en petits groupes, composés de dizaines à des centaines de galaxies."

De plus, les galaxies peuvent faire partie de structures filamenteuses allongées ou elles peuvent résider dans un état isolé dans des régions moins denses de l'univers, a-t-il déclaré.

Les efforts précédents se sont principalement concentrés sur la comparaison des galaxies dans les amas et les groupes à celles des régions de plus faible densité de l'univers, appelées "le champ". Ces études ont négligé l'autoroute des filaments qui relient les régions les plus denses. L'équipe de Rudnick tiendra compte de toute la gamme dynamique des densités de l'univers en se concentrant sur la réaction des galaxies à l'environnement dans les filaments qui les dirigent vers des groupes galactiques et dans les amas de galaxies, modifiant ainsi l'évolution des galaxies en cours de route.

"Les galaxies suivent un chemin dans ces filaments, faisant l'expérience d'un environnement dense pour la première fois avant de progresser dans les groupes et les amas", a déclaré Rudnick. "L'étude des galaxies dans les filaments nous permet d'examiner les premières rencontres des galaxies avec des environnements denses. La majorité des galaxies entrant dans les "centres urbains" des amas le font le long de ces "autoroutes", un nombre minimal empruntant des itinéraires ruraux qui les amènent dans les amas et les groupes sans interagir beaucoup avec leur environnement. Tandis que les filaments sont semblables aux autoroutes, ces routes moins fréquentées vers les régions denses sont semblables à l'analogie de conduire sur des routes rurales dans le Kansas pour accéder aux limites de la ville. Les galaxies peuvent exister dans les filaments ou faire partie de groupes qui résident dans les filaments comme des perles sur un fil. En effet, la plupart des galaxies de l'univers existent au sein de groupes. Par conséquent, avec notre étude, nous obtiendrons simultanément des informations sur le début des effets environnementaux sur les galaxies et sur le comportement des galaxies dans les régions où elles sont le plus souvent trouvées, les filaments et les groupes."

Un élément clé de l'étude portera sur la manière dont les conditions au sein de ces filaments, champs, groupes et amas de galaxies modifient le "cycle des baryons" des gaz à l'intérieur et autour des galaxies. Chaque quartier cosmique modifie le comportement du gaz à l'intérieur et autour des galaxies et peut même affecter le gaz moléculaire le plus dense à partir duquel les étoiles se forment. Les perturbations de ce cycle des baryons peuvent donc soit favoriser soit entraver la production de nouvelles étoiles. Récemment, un rapport fédéral de la communauté astronomique visant à établir les objectifs de recherche astronomique pour les années 2020 - l'enquête décennale Astro2020 - a désigné la compréhension du cycle des baryons comme un sujet scientifique clé pour la prochaine décennie.

“The space between galaxies contains gas. Indeed, most of the atoms in the universe are in this gas, and that gas can accrete onto the galaxies,” Rudnick said. “This intergalactic gas undergoes a transformation into stars, although the efficiency of this process is relatively low, with only a small percentage contributing to star formation. The majority is expelled in the form of large winds. Some of these winds exit into space, termed outflows, while others are recycled and return.

“This continuous cycle of accretion, recycling and outflows is referred to as the baryon cycle. Galaxies can be conceptualized as baryon processing engines, drawing gas from the intergalactic medium and converting some of it into stars. Stars, in turn, go supernova, producing heavier elements. Part of the gas is blown out into space, forming a galactic fountain that eventually falls back to the galaxy.”

However, Rudnick said when galaxies encounter a dense environment, they can experience a pressure caused by their passage through the surrounding gas and this pressure can in turn disrupt the baryon cycle either by actively removing gas from the galaxy or by depriving the galaxy of its future gas supply. Indeed, in the centers of clusters, galaxies can find their star-making power quenched as their gas supply is removed.

“The disruption affects the intake and expulsion of gas by galaxies, leading to alterations in their star formation processes,” he said. “While there may be a temporary increase in star formation, in nearly all cases, it eventually results in a decline in star formation.”

Rudnick’s collaborators at KU will include graduate students like Kim Conger, whose work helped shape the grant proposal, along with undergraduate researchers. His co-primary investigator Rose Finn, professor of physics and astronomy at Siena College, will also employ and train students.

The researchers will use astronomical datasets like DESI Legacy Survey, WISE, and GALEX imaging of around 14,000 galaxies. Additional new observations will be carried out by personnel at both campuses using Siena’s 0.7-m Planewave telescope to obtain new imaging of galaxies equipped with a custom filter to be purchased via the grant. KU students will be able to observe remotely with the Siena telescope, as they have already through a joint Observational Astronomy course in 2021 and 2023.

The work also will include high school students in both Kansas and New Jersey as the grant extends a program Rudnick began years ago to bring university-level astronomy coursework into secondary schools. The new grant founds a high school astronomy class affiliated with Siena College and extends the course already offered at Lawrence High School close to KU’s Lawrence campus. Rudnick’s work on this class earned him a Community Engaged Scholarship Award from KU in 2020.

“These funds will extend the high school program’s longevity through 2026,” Rudnick said. “In collaboration with funds from KU, we were able to purchase 11 MacBook Pros for the school. Given that students only have iPads, which aren’t suitable for the research activities they needed to undertake, this grant facilitated the acquisition of computers that will enable their research.”

The project now has a dedicated laptop cart for the class, enabling students to carry out their research projects, he said, and the influx of computers has allowed organizers to expand the class size.

“Previously, class sizes at the high school level were around 8 to 10 students,” Rudnick said. “Now, at the start of the year, we have 22 students. It’s a significant growth, aiming to double the class size.”