Les galaxies isolées sont relativement rares dans l'univers ; sous l'action de la gravité elles tendent à se regrouper en groupes et amas de galaxies.

Lorsque deux galaxies passent près l'une de l'autre, cela peut provoquer de multiples phénomènes, dont le premier est la déformation spatiale de la distribution d'étoiles. A l'intérieur d'une galaxie, les distances d'une étoile à sa voisine sont extrêmement grandes par rapport au diamètre des étoiles. Par conséquent si deux galaxies se rencontrent, elles vont s'interpénétrer quasiment sans qu'il y ait de collisions d'étoiles.

En revanche, les énergies mises en jeu sont énormes. Si l'on considère par exemple la collision de deux galaxies de masse se dirigeant l'une vers l'autre à une vitesse de 300 km s^-1 l'énergie cinétique mise en jeu sera de l'ordre de 10⁵¹ J. Si l'on considère que la luminosité du Soleil est de 10²⁶ Watts, ceci équivaudrait à la quantité d'énergie rayonnée par le Soleil pendant 10²⁵ ans. Or l'âge de l'Univers est estimé à environ 14 milliards d'années (1,4 10¹⁰ ans), une telle comparaison n'a donc pas de sens.

Pour illustrer à quoi correspond une énergie de 10⁵¹ J on pourrait plutôt dire que c'est l'ordre de grandeur de l'énergie rayonnée par une galaxie mille fois plus grosse que la nôtre pendant toute la durée d'existence de l'Univers, depuis le Big Bang.

L'échelle de temps d'une interaction de galaxies étant de l'ordre de 100 millions d'années, il est bien sûr impossible d'observer une interaction en temps réel. Seules les simulations numériques permettent de modéliser ce qui se passe lorsque deux galaxies se rencontrent.

L'augmentation phénoménale de la puissance de calcul des ordinateurs depuis les toutes premières simulations numériques effectuées par les frères Toomre à la fin des années 1970 a permis de modéliser de manière beaucoup plus fine les interactions de galaxies et de voir comment les structures résultantes pouvaient dépendre des divers paramètres mis en jeu : rapport des masses des deux galaxies, vitesse relative, angle d'attaque, paramètre d'impact (c'est à dire distance la plus faible à laquelle peuvent passer les centres des deux galaxies), sens de rotation de chacune des galaxies.

C'est ainsi grâce aux simulations numériques que l'on a pu montrer que la fusion de deux galaxies spirales donne généralement naissance à une galaxie elliptique.

Simulations numériques

Six simulations numériques de Toomre, chacune à lire horizontalement, pour cinq paramètres d'impact décroissant du haut vers le bas de la figure, en fonction du temps qui s'écoule vers la droite.

Crédit : Toomre (1978), Proc. Symposium "The large scale structure of the Universe", Tallinn, Estonie, Dordrecht, Reidel Ed., p. 109

Actuellement, les simulations numériques comprennent plusieurs millions de particules et même dans certains cas peuvent atteindre plusieurs milliards.

Les interactions entre galaxies génèrent des instabilités gravitationnelles propices à la formation ou à l'entretien de bras spiraux et de barres. Les bras spiraux et les barres ne sont pas des structures permanentes, elles évoluent lentement : une barre se forme, achemine du gaz et de la masse du disque vers le centre de la galaxie, le gaz s'effondre et forme des étoiles,le bulbe grossit et, ainsi, la barre s'autodétruit. Le disque vidé de sa masse se reconstruit à partir du gaz intergalactique des filaments cosmiques. Une galaxie spirale passe de spirale barrée à spirale normale et inversement . Ceci est illustré par les simulations numériques de F. Combes présentées ci-contre.

Simulation numérique du disque d'une galaxie spirale

Simulation numérique du disque d'une galaxie spirale, composé d'étoiles et de gaz. Le temps est indiqué en milliards d'années en haut à droite. Une spirale se forme dans le disque, puis une barre se développe, existe pendant 8 milliards d'années, et précipite le gaz vers le centre. Ensuite, la barre est lentement détruite. La galaxie est alors alimentée en gaz à partir des filaments cosmiques. Ce gaz reforme un disque, qui redevient instable et forme une nouvelle barre.

Crédit : F. Combes, "Galaxies et cosmologie", Editions Ellipses, 2009

On peut maintenant aussi expliquer la plupart des galaxies observées ayant une forme étrange : il s'agit pratiquement dans tous les cas de la conséquence de l'interaction de deux galaxies (on parle de fusion si les deux galaxies s'interpénètrent tellement profondément qu'elles n'en forment plus qu'une seule).

Différentes formes peuvent apparaître après interaction, comme par exemple des ponts de matière entre les deux galaxies ou des queues de marée s'étendant très loin des noyaux. Ce sont les forces gravitationnelles de marée qui engendrent ces ponts de matière et queues de marée en perturbant les étoiles du disque les plus éloignées.

Les interactions de galaxies permettent également de rendre compte des galaxies à anneau, des coquilles observées autour de certaines galaxies elliptiques, de la présence (ou de la destruction) de barres dans les galaxies spirales, du gauchissement du plan de certains disques de galaxies, de l'existence de bulbes galactiques en forme de boîtes ou de cacahuètes.

Il peut également se former des galaxies naines dites "naines de marée" dans les queues de marée ainsi créées.

Les interactions mettant en jeu plus de deux galaxies sont a priori rares et difficiles à modéliser, et n'ont donc pas fait l'objet de beaucoup d'études approfondies pour l'instant.

On trouvera ci-après plusieurs exemples de galaxies ayant des formes bizarres que les simulations parviennent très bien à reproduire comme étant le résultat d'interactions de deux galaxies.

Un exemple de galaxie provenant de l' interaction de deux galaxies

Résidu d'une interaction de galaxies : NGC 17

Crédit : NASA, ESA, the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration, and A. Evans (University of Virginia, Charlottesville/NRAO/Stony Brook University)

Structures provenant de l'interaction de deux galaxies

Résidu d'une interaction de galaxies

Crédit : STScI/NASA

Anneaux polaires

La galaxie NGC 4650A et son grand anneau polaire, vestige d'une fusion de galaxies

Crédit : Hubble heritage, http://heritage.stsci.edu

Les simulations numériques d'interactions et de fusions de galaxies montrent qu'il peut dans certains cas se former des bulbes en forme de boîte ou de cacahuète.

Simulation numérique de bulbes

Simulation numérique montrant que certaines interactions de galaxies peuvent donner lieu à la formation de bulbes en forme de cacahuète (à gauche, vue de face, à droite, vue de profil).

Crédit : Combes F. & Sanders R.H. 1981, A&A 96, 164

Tololo 0109-383

La galaxie Tololo 0109-2383 : les contours d'égale intensité montrent la présence d'un bulbe en forme de boîte.

Crédit : Durret F. & Bergeron J. 1987, A&A 173, 219

NGC 5746

La galaxie NGC 5746 présentant un bulbe en forme de cacahuète

Crédit : Palomar DSS

Les simulations montrent aussi que le passage d'une petite galaxie près d'une grosse galaxie à disque peut s'accompagner du gauchissement du plan de la grosse galaxie, ce qui est effectivement observé dans certains objets.

NGC 4013

La galaxie NGC 4013, dont le disque présente un fort gauchissement.

Crédit : Bottema (1996) A&A 306, 345

Les interactions de galaxies peuvent dans certains cas créer des ponts de matière entre deux galaxies, ou de grandes queues de marée s'étendant très loin des galaxies. C'est le cas par exemple pour le système dit "des Antennes".

Les antennes

Les galaxies des antennes, résidu de l'interaction de deux galaxies, présentent deux noyaux et deux immenses queues de marée.

Crédit : VLA HI (blue) and CTIO Optical (green), from Hibbard, van der Hulst & Barnes 2001

Les interactions de galaxies peuvent également provoquer des éclaboussures de gaz interstellaire, qui se retrouve alors distribué spatialement entre les galaxies.

C'est le cas de la Voie Lactée, où l'on pense qu'une traînée d'étoiles, appelée "courant magellanique", est due au passage des Nuages de Magellan au voisinage de la Voie Lactée.

Eclaboussures de gaz interstellaire

Le trio de galaxies M81, M82 et NGC 3077. Entre ces galaxies on détecte de l'hydrogène neutre interstellaire reliant les galaxies, et visiblement dû à des interactions.

Crédit : NRAO/VLA/M.S.Yun

Le courant magellanique

Le courant magellanique est très probablement constitué de matière arrachée aux Nuages de Magellan lors de leur passage au voisinage de notre Galaxie.

Crédit : Image d'une simulation réalisée par Daisuke Kawata, Chris Fluke, Sarah Maddison & Brad Gibson, Swinburne University of Technology

Galaxie de la roue de la charrette

La galaxie dite "de la roue de la Charrette", provenant de l'interaction de deux galaxies

Crédit : NASA/AURA/STSCI

La galaxie ci-contre, appelée la "roue de la charrette" est vraisemblablement le résultat de la collision d'une grosse galaxie traversée en son centre et perpendiculairement à son disque par une galaxie plus petite. Cette galaxie ressemble beaucoup au résultat de la simulation de Toomre (dernière des six simulations, sur la ligne inférieure).

Un autre effet, et non des moindres, de l'interaction de deux galaxies peut aussi être l'augmentation du taux de formation d'étoiles. En effet, on remarque que dans certains cas des galaxies en interaction sont le siège de flambées de formation d'étoiles. Ceci peut s'expliquer par le fait que sous l'effet de l'interaction le gaz peut être comprimé, ce qui va accélérer la formation des étoiles.

Ceci est en bon accord avec le fait que le taux de formation d'étoiles semble avoir été plus intense dans le passé (à des décalages spectraux de 1 ou 2, c'est à dire il y a plusieurs milliards d'années) que maintenant.