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Voyagez avec 1 400 galaxies pendant 13 milliards d’années !


​Pour la première fois, le mouvement de 1400 galaxies, dont notre Voie Lactée, au cours des 13 derniers milliards d'années a été reconstitué. Cette visualisation interactive, réalisée par une équipe internationale dont fait partie le CEA et publiée le 4 décembre 2017 dans Astrophysical Journal, permet de comprendre d'où nous venons et surtout où allons-nous.

Publié le 8 janvier 2018
Les galaxies qui nous entourent ne sont pas fixes, mais en mouvement, comme notre Voie Lactée. C’est en cherchant à savoir quelle est leur route qu’une équipe internationale1 vient de produire la carte la plus détaillée à ce jour, retraçant le mouvement, et les orbites, de 1 400 galaxies, éloignées de jusqu’à 100 millions d’années-lumière, au cours des 13 derniers milliards d'années, soit la quasi-totalité de l'âge de l'Univers (13,8 milliards d’années).

Ces trajectoires, présentées sous la forme d’une visualisation interactive dans un article paru dans Astrophysical Journal, permettent de comprendre l’histoire de la formation de notre partie de l’Univers et d’en apprendre plus sur son futur. Ainsi, en un peu plus de 13 milliards d’années, notre Voie Lactée a parcouru une distance de plus de trente millions d’années-lumière dans une course l’éloignant progressivement d’une région sous-dense, le Vide Local, qui se vide de sa matière au profit des structures massives qui l’entoure. 

En route pour l’amas de la Vierge

Le destin de la Voie Lactée est lié à celui de sa voisine la galaxie spirale d’Andromède. Tout se joue dans la rivalité entre deux phénomènes opposés : d’un côté la gravitation qui tend à faire s’effondrer les structures les unes sur les autres, et de l’autre côté l’expansion de l’Univers qui entraîne deux galaxies à s’éloigner l’une de l’autre à une vitesse proportionnelle à la distance qui les sépare. Dans le cas du duo Voie Lactée / galaxie d’Andromède, c’est la gravitation qui l’emporte : les orbites calculées prédisent qu’elles entreront en collision dans 4,5 milliards d’années. 
Le principal attracteur gravitationnel, dans la zone cartographiée, est l’amas de galaxies dans la constellation de la Vierge avec 6x1014 fois la masse du Soleil. Plus d'un millier de galaxies ont déjà été capturées dans cet amas, un sort qui attend toutes les galaxies qui se trouvent actuellement à moins de 40 millions d'années-lumière de son centre. La Voie Lactée et la galaxie d'Andromède se trouvent juste en dehors de cette zone de capture, là où l’expansion commence à l’emporter sur la gravitation.

Une visualisation interactive en 4D

Ces orbites, déterminées numériquement par le principe de moindre action2, sont présentées dans cette publication grâce à une visualisation interactive 4D. Celle-ci permet au lecteur non seulement d’explorer librement le modèle sous tous les angles et grossissements alors que les orbites se déroulent, mais aussi de prendre le contrôle de cette évolution temporelle, en la mettant en pause ou en jouant avec un curseur pour remonter le temps et explorer la formation de telle ou telle structure. La plateforme de partage de visualisations interactives Sketchfab, issue d’une start-up française, a d'ailleurs distingué ce modèle parmi ces 12 modèles les plus marquants de l'année 2017.
Cette visualisation montre aussi de grandes tendances dans l’organisation des flots de matière : l’évacuation du Vide Local par exemple, ou l’écoulement vers des attracteurs situés à plus grande distance. Ces tendances sont également explorées dans une vidéo de visualisation qui fait partie de l’article.
 1 CEA-Irfu (Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers, Paris-Saclay), Université du Maryland et Institut d’Astronomie d’Hawaii (États-Unis), Université Hébraïque de Jérusalem (Israël).
Le principe de moindre action signifie que la dynamique d'une quantité physique (la position, la vitesse et l'accélération d'une particule, ou les valeurs d'un champ en tout point de l'espace, et leurs variations) peut se déduire à partir d'une unique grandeur appelée action en supposant que les valeurs dynamiques permettent à l'action d'avoir une valeur optimale entre deux instants donnés.
Capture sktech.JPG
Extrait de la visualisation interactive des orbites de 1400 galaxies, groupes et amas de galaxies. L’amas de galaxies dans la constellation de la Vierge est représenté par une sphère rouge. Les amas de galaxies de Fornax, Antlia, et Virgo W sont représentés par des sphères de couleurs kaki, noire et violette, respectivement. La Voie Lactée et la galaxie d’Andromède sont représentées par les petites sphères de couleur jaune et verte. Les autres galaxies sont représentées par des sphères bleues. Un mode VR « réalité virtuelle » permet également d’explorer le modèle en relief et en immersion au moyen d’un équipement adapté. © DR

Un atlas de l’Univers constamment mis à jour

Telles nos cartes de navigation, l’atlas de l’Univers est également constamment mis à jour, notamment par cette même équipe internationale qui en 2014 a découvert les frontières du continent de galaxies dans lequel nous vivons : Laniakea. En 2015 les chercheurs ont d’abord mis en évidence une « super autoroute cosmique » sur laquelle voyagent les galaxies satellites et qui les focalise vers les grandes galaxies avant d’identifier la raison du déplacement de La Voie lactée à 630 km/s : le Dipole Repeller. Ils en ont établi un atlas de la toile cosmique des vitesses grâce à la collecte étendue et standardisée de distances (obtenues avec différents télescopes) et de vitesses de galaxie regroupées dans la série de catalogues CosmicFlows. Aujourd’hui, l’analyse de toutes ces données permet de reconstituer l’évolution de notre coin de Cosmos.

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