Le fait que les galaxies spirales ont des champs magnétiques est connu depuis plus d'un demi-siècle (et les prédictions selon lesquelles elles devraient exister ont précédé la découverte de plusieurs années), et certains champs magnétiques des galaxies ont été cartographiés de manière très détaillée.
Mais comment ces champs magnétiques ont-ils pu avoir les caractéristiques que nous observons? Et comment persistent-ils?
Un article récent des astronomes britanniques Stas Shabala, James Mead et Paul Alexander peut contenir des réponses à ces questions, avec quatre processus physiques jouant un rôle clé: infiltration de gaz frais sur le disque, rétroaction de supernovae (ces deux augmentent la turbulence magnétohydrodynamique), la formation d'étoiles (cela élimine le gaz et donc l'énergie turbulente du gaz froid) et la rotation galactique différentielle (cela transfère en continu l'énergie du champ du champ aléatoire incohérent dans un champ ordonné). Cependant, au moins un autre processus clé est nécessaire, car les modèles des astronomes ne correspondent pas aux champs observés des galaxies spirales massives.
«L'émission radio synchrotron d'électrons de haute énergie dans le milieu interstellaire (ISM) indique la présence de champs magnétiques dans les galaxies. Les mesures de rotation (RM) des sources polarisées de fond indiquent deux variétés de champ: un champ aléatoire, qui n'est pas cohérent à des échelles plus grandes que la turbulence de l'ISM; et un champ ordonné en spirale qui présente une cohérence à grande échelle », écrivent les auteurs. «Pour une galaxie typique, ces champs ont des forces de quelques μG. Dans une galaxie telle que M51, on observe que le champ magnétique cohérent est associé aux bras optiques en spirale. Ces champs sont importants dans la formation des étoiles et la physique des rayons cosmiques, et pourraient également avoir un effet sur l'évolution des galaxies, mais, malgré leur importance, les questions sur leur origine, leur évolution et leur structure restent largement non résolues. »
Ce domaine en astrophysique progresse rapidement, la compréhension de la façon dont le champ aléatoire est généré n'étant raisonnablement bien établie que dans la dernière décennie environ (il est généré par la turbulence dans l'ISM, modélisé comme un magnétohydrodynamique monophasé (MHD) fluide, dans lequel les lignes de champ magnétique sont gelées). D'un autre côté, la production du champ à grande échelle par l'enroulement des champs aléatoires en spirale, par rotation différentielle (une dynamo), est connue depuis bien plus longtemps.
Les détails de la façon dont le champ ordonné dans les spirales s'est formé lors de la formation de ces galaxies elles-mêmes - quelques centaines de millions d'années après le découplage de la matière baryonique et du rayonnement (qui a donné naissance à l'arrière-plan cosmique des micro-ondes que nous voyons aujourd'hui) - deviennent clairs, bien que les tests ces hypothèses ne sont pas encore possibles, observationnellement (très peu de galaxies à grand décalage vers le rouge ont été étudiées dans l'optique et le NIR, période, et encore moins ont eu leurs champs magnétiques cartographiés en détail).
«Nous présentons la première tentative (à notre connaissance) d'inclure des champs magnétiques dans un modèle de formation et d'évolution de galaxie auto-cohérent. Un certain nombre de propriétés des galaxies sont prévues, et nous les comparons avec les données disponibles », disent Shabala, Mead et Alexander. Ils commencent par un modèle analytique de formation et d'évolution des galaxies, qui «retrace le refroidissement des gaz, la formation des étoiles et divers processus de rétroaction dans un contexte cosmologique. Le modèle reproduit simultanément les propriétés de la galaxie locale, l'histoire de la formation des étoiles de l'Univers, l'évolution de la fonction de la masse stellaire à z ~ 1,5 et l'accumulation précoce de galaxies massives. » L'énergie cinétique turbulente de l'ISM et l'énergie du champ magnétique aléatoire sont au cœur du modèle: les deux deviennent égales sur des échelles de temps qui sont instantanées sur des échelles de temps cosmologiques.
Les moteurs sont donc les processus physiques qui injectent de l'énergie dans l'ISM, et qui en retirent de l'énergie.
"L'une des sources les plus importantes d'injection d'énergie dans l'ISM sont les supernovae", écrivent les auteurs. "La formation d'étoiles élimine l'énergie turbulente", comme vous vous en doutez, et le gaz "qui s'accumule du halo de matière noire dépose son énergie potentielle dans la turbulence." Dans leur modèle, il n'y a que quatre paramètres libres - trois décrivent l'efficacité des processus qui ajoutent ou suppriment la turbulence de l'ISM, et un à quelle vitesse les champs magnétiques ordonnés surgissent de ceux aléatoires.
Shabala, Mead et Alexander sont-ils enthousiasmés par leurs résultats? À vous de juger: «Deux échantillons locaux sont utilisés pour tester les modèles. Le modèle reproduit les intensités des champs magnétiques et les luminosités radioélectriques bien sur une large gamme de galaxies de masse faible et intermédiaire. »
Et que pensent-ils être nécessaires pour rendre compte des observations astronomiques détaillées des galaxies spirales de grande masse? «L'inclusion de l'éjection de gaz par des AGN puissants est nécessaire pour arrêter le refroidissement du gaz.»
Il va sans dire que la prochaine génération de radiotélescopes - EVLA, SKA et LOFAR - soumettra tous les modèles de champs magnétiques dans les galaxies (pas seulement les spirales) à des tests beaucoup plus rigoureux (et même permettra des hypothèses sur la formation de ces champs, il y a plus de 10 milliards d'années, à tester).
Source: Champs magnétiques dans les galaxies: I. Disques radio dans les galaxies locales de type tardif
