Une équipe internationale de scientifiques impliquant le CNRS Terre & Univers, vient de réaliser une avancée majeure dans la compréhension des amas globulaires, des structures stellaires presque aussi anciennes que l'Univers. Grâce à des simulations numériques, les scientifiques ont reconstitué l'évolution complète de ces amas d'étoiles, contribuant à élucider leur mystérieuse origine et leurs propriétés à la naissance.
Les amas globulaires: des laboratoires cosmiques uniques
Les amas globulaires sont des groupements sphériques extrêmement denses, pouvant contenir jusqu'à plusieurs millions d'étoiles liées par la gravité. Formés lors des premières phases de l'Univers, ils sont présents dans la plupart des galaxies, y compris la nôtre.
Image ESO/INAF-VST/OmegaCAM
La Voie lactée abrite aujourd'hui environ 160 amas globulaires, considérés comme de véritables fossiles cosmiques offrant un aperçu unique des conditions qui régnaient il y a près de 13 milliards d'années. Leur étude permet aux astrophysiciens de mieux comprendre la formation des galaxies et l'évolution de l'Univers primordial.
Malgré leur importance, la dynamique des amas globulaires est longtemps restée mal comprise en raison de leur extrême complexité. Modéliser leur évolution sur 13 milliards d'années nécessite en effet de prendre en compte simultanément:
- les interactions gravitationnelles entre toutes les étoiles;
- les effets gravitationnels de leur environnement externe, comme la galaxie hôte dans laquelle ils orbitent;
- ainsi que l'évolution stellaire de la naissance à la mort des étoiles.
Cette complexité, combinée aux limites des ressources de calcul disponibles, rendait jusqu'ici quasi impossible une modélisation réaliste sur des échelles de temps cosmiques.
Une percée scientifique et technologique
Pour relever ce défi, l'équipe a développé
ROLLIN', une série de 25 simulations N- corps exploitant la puissance du supercalculateur Jean-Zay (GENCI-IDRIS). Mobilisant près de 350 000 heures de calcul sur GPU, ces simulations ont permis de modéliser des amas contenants entre 250 000 et 1,5 million d'étoiles sur une durée allant jusqu'à 13 milliards d'années. Parmi les plus ambitieuses jamais réalisées, elles révèlent que les amas globulaires que nous observons aujourd'hui sont les survivants d'une population initiale profondément transformée par les effets combinés de la dynamique gravitationnelle et de l'évolution stellaire.
Grâce à ces simulations, les scientifiques ont pu retracer l'évolution des amas globulaires depuis leur formation: à leur naissance, les amas doivent être bien plus concentrés (denses) que ce que l'on observe aujourd'hui, après 13 milliards d'années. De plus, l'étude indique que les amas doivent se former avec un haut niveau de moment angulaire (rotation interne) afin d'expliquer la quantité de moment cinétique observée aujourd'hui. Ces deux informations posent des contraintes sur les propriétés des nuages de gaz qui sont à l'origine des amas dans l'Univers primordial.
Une ouverture sur des questions fondamentales en astronomie
L'effort de calcul déployé pour réaliser ces simulations a été considérable: la simulation la plus exigeante a mobilisé environ 400 jours de temps de calcul. Cette avancée ouvre désormais la voie à l'étude d'autres questions fondamentales en astronomie, bien au- delà de la seule formation des amas d'étoiles.
Simulation d'un amas globulaire de 1,5 million d'étoiles Les amas globulaires sont notamment des sites privilégiés de production de trous noirs, issus de la mort des étoiles massives. Les interactions gravitationnelles intenses dans ces environnements très denses peuvent conduire à la formation de systèmes binaires de trous noirs, voire à des fusions, un mécanisme clé pour expliquer l'origine des trous noirs massifs observés dans l'Univers.
Par ailleurs, comprendre comment les amas globulaires perdent progressivement leurs étoiles est essentiel pour étudier leur dissolution au sein des galaxies et pour reconstituer l'histoire de la formation des galaxies elles-mêmes. Les travaux futurs, fondés sur ces simulations, permettront d'approfondir ces questions.