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VARIATIONS DE COULEUR DES BULBES ET DES DISQUES : UNE NOUVELLE COMPRÉHENSION DE L’ÉVOLUTION SÉCULAIRE DES GALAXIES

Une analyse de galaxies proches apporte un nouvel éclairage sur le vieillissement et la transformation des galaxies spirales. En analysant les variations de couleur des bulbes et des disques de plus de 3000 galaxies proches, deux chercheurs du Centre de Recherche Astrophysique de Lyon et une chercheuse de l'Institut d’astrophysique de Paris ont élaboré un scénario cohérent d'évolution morphologique lente des disques galactiques sur des milliards d'années, la poussière jouant un rôle clé dans la croissance des bulbes. Une partie de ces résultats est confirmée par l'observation de 2500 galaxies lointaines avec Euclid, illustrant le potentiel de ce télescope spatial pour la compréhension des processus physiques complexes qui régissent l'évolution des galaxies. Ces résultats sont publiés le 25 juin 2026 dans deux articles d'Astronomy and Astrophysics.

L’année 2026 marque le centenaire de la découverte par Edwin Hubble de la classification des galaxies selon leur forme et leur structure en trois grandes catégories : les elliptiques, les lenticulaires et les spirales (la séquence morphologique des galaxies dite séquence de Hubble, voir Figure 1). Diverses argumentations suggèrent qu’il s’agit d’une séquence inverse de l’évolution des galaxies, les spirales évoluant vraisemblablement vers les lenticulaires et les elliptiques (voir précédente Une de l'IAP). Cependant, les processus à l’œuvre dans ces transformations font débat depuis près d’un siècle.

Figure 1 : Les trois principaux types morphologiques de galaxies de la séquence de Hubble : elliptique, lenticulaire et spirale. Les galaxies lenticulaires et spirales possèdent un bulbe central dense entouré d'un disque, tandis que les galaxies elliptiques sont dominées par une composante analogue à un bulbe.

Figure 1 : Les trois principaux types morphologiques de galaxies de la séquence de Hubble : elliptique, lenticulaire et spirale. Les galaxies lenticulaires et spirales possèdent un bulbe central dense entouré d'un disque, tandis que les galaxies elliptiques sont dominées par une composante analogue à un bulbe.
Crédit : Valérie de Lapparent, Louis Quilley, Matthew Lehnert, AstrOmatic.net, Sloan Digital Sky Survey.

Les spirales et les lenticulaires possèdent deux composantes lumineuses. Un bulbe central très dense, qui contient principalement des étoiles anciennes, et un disque qui entoure le bulbe et contient des étoiles anciennes dans les galaxies lenticulaires, ou plus récentes dans les galaxies spirales (voir Figure 1). Les galaxies se forment et évoluent par fusions successives avec des galaxies majoritairement plus petites, ainsi que par accrétion de gaz provenant d'un réservoir de gaz dans lequel elles sont plongées (les milieux circumgalactique et intergalactique). Toute observation apportant de nouvelles contraintes sur l'importance de ces processus est essentielle pour comprendre comment les galaxies ont évolué au cours des milliards d'années d'expansion de l'Univers.

Des études précédentes ont montré qu'à mesure que les galaxies spirales vieillissent, leurs disques forment des étoiles à un rythme plus lent, et leurs bulbes croissent considérablement, les conduisant à probablement se transformer en lenticulaires (voir précédente Une de l'IAP). Ce phénomène a été interprété comme la preuve d'effets de rétroaction par des trous noirs supermassifs au centre des bulbes, un processus qui réduit considérablement l'efficacité de la formation d'étoiles et le taux d'accumulation de gaz dans les galaxies. Quelle que soit l'interprétation théorique de la transformation des galaxies spirales, la prédominance de la lumière de leurs bulbes sur celle de leurs disques, ainsi que leurs couleurs respectives, indiquent le stade d'évolution des objets.

Figure 2 : Images en couleur de deux galaxies spirales, PGC0023028 (panneaux du haut) et PGC0033792 (panneaux du bas), montrant que leurs bras spiraux sont plus bleus que leurs disques internes, et que leurs bulbes rouges. Pour chaque galaxie, la galaxie entière est montrée (à gauche), ainsi qu'un agrandissement de sa région centrale (à droite). Les images agrandies révèlent que les bulbes présentent également des variations de couleur, interprétés comme un rougissement et une diffusion de la lumière du bulbe par la chute de nuages de gaz poussiéreux.

Figure 2 : Images en couleur de deux galaxies spirales, PGC0023028 (panneaux du haut) et PGC0033792 (panneaux du bas), montrant que leurs bras spiraux sont plus bleus que leurs disques internes, et que leurs bulbes rouges. Pour chaque objet, la galaxie entière est montrée (à gauche), ainsi qu'un agrandissement de sa région centrale (à droite). Les images agrandies révèlent que les bulbes présentent également des variations de couleur, interprétés comme un rougissement et une diffusion de la lumière du bulbe par des nuages de gaz poussiéreux en chute vers le centre des galaxies.
Crédit : Valérie de Lapparent, Louis Quilley, Matthew Lehnert, AstrOmatic.net, Sloan Digital Sky Survey

Afin d'explorer ces processus, Louis Quilley (postdoctorant CNES), Matthew Lehnert (directeur de recherche), tous deux du Centre de Recherche Astrophysique de Lyon, et Valérie de Lapparent (directrice de recherche) de l'Institut d'astrophysique de Paris, ont ajusté les profils de lumière des bulbes et des disques de 3106 galaxies à différentes longueurs d'onde optiques. Cette analyse leur a permis de mesurer les couleurs apparentes de la lumière émise par leur étoiles. Ils et elle mesurent que les disques sont plus bleus que les bulbes dans les galaxies spirales (voir Figure 2), tandis que les deux composantes présentent des couleurs similaires dans les galaxies lenticulaires, avec un rougissement très progressif des disques depuis les petites galaxies spirales jusqu'aux spirales plus grandes, puis jusqu'aux lenticulaires. Des gradients au sein des disques spiraux sont également trouvés, les parties internes des disques étant plus rouges que leurs périphéries (voir Figure 2), et cet effet est plus marqué pour les spirales plus anciennes et plus grandes de la séquence de Hubble. Les couleurs plus rouges des étoiles dans les disques internes pourraient être dues à des âges plus avancés de celles-ci, tandis que les couleurs des étoiles des disques externes pourraient être plus bleues parce qu'elles seraient plus jeunes. Une partie des gradients de couleur entre les disques internes et externes pourrait aussi être due à des étoiles de même âge mais formées à partir de gaz de compositions chimiques différentes, caractérisées par l’abondance d’atomes plus lourds que l’hydrogène et l’hélium. Il est difficile de distinguer sans ambiguïté les effets de l’âge des étoiles de ceux de leur richesse en éléments lourds.

La mise en évidence de telles différences de couleur entre les parties internes et externes des disques des spirales pourrait étayer l'hypothèse théorique largement répandue selon laquelle les disques des galaxies se forment continuellement à partir de gaz extrait du gaz circumgalactique présent autour des galaxies, et que ce gaz s'accumule principalement dans les régions externes du disque. Au cours du vieillissement des galaxies spirales, les forces de marée externes et internes aux galaxies (les variations des forces gravitationnelles à travers leurs disques), poussent du gaz riche en éléments lourds et en étoiles anciennes vers les régions internes des galaxies.

Ces ajustements des bulbes et des disques des galaxies proches révèlent par ailleurs des propriétés inédites des bulbes des galaxies spirales : ils présentent des couleurs très rouges (voir Figure 2), plus rouges encore que les galaxies lenticulaires, connues pour abriter des populations d'étoiles rouges, car anciennes. Ces couleurs très rouges ne peuvent s'expliquer que par la présence de poussières, qui ont pour effet de rougir l'émission lumineuse. Par ailleurs, les bulbes présentent des variations spatiales de couleur (voir Figure 2), que les chercheurs et la chercheuse interprètent comme étant dues à de vastes nuages de gaz et de poussières. Ces caractéristiques suggèrent que nous assistons à la croissance des bulbes par formation d'étoiles. Le gaz et les poussières sont arrachés aux disques et sont entraînés vers les bulbes centraux, favorisant ainsi la formation d'étoiles et la croissance des bulbes. Ces résultats offrent une nouvelle vision du vieillissement des galaxies, à travers un scénario simple de transformation morphologique séculaire sur des échelles de temps cosmiques, de plusieurs milliards d'années.

Figure 3 : Image couleur d’une galaxie spirale lointaine (en haut à gauche), obtenue par combinaison des lumières optique et infrarouge des instruments VIS et NISP du télescope spatial Euclid, à la résolution angulaire de NISP de 0,3 seconde d’arc par pixel. La lumière émise par le disque, qui abrite les bras spiraux, est nettement plus bleue que le bulbe central, apparaissant en jaune, un phénomène observé dans des milliers d’autres galaxies du champ observé qui présentent des bulbes de faible à moyenne intensité. De plus, le rougissement du disque galactique vers le centre et autour du bulbe est visible par comparaison avec les parties externes plus bleues du disque et des bras spiraux. Des régions bleues brillantes, témoins de la formation d’étoiles, sont également visibles le long des bras spiraux. L’image en haut à droite est l’image optique VIS seule, avec une résolution trois fois plus fine de 0,1 seconde d’arc par pixel, révélant avec plus de détails la structure des bras spiraux et leurs régions d'intense formation d’étoiles (apparaissant sous forme de points blancs), non visibles avec NISP. Les images du bas montrent la même galaxie telle qu'elle serait observée dans la bande NISP la plus rouge (en bas à gauche), et avec VIS (en bas à droite), mais depuis un télescope terrestre avec un flou atmosphérique minimal de 0,6 seconde d'arc. Les périphéries de la galaxie et les détails des bras spiraux ne sont visibles ni en infrarouge ni dans le visible, en raison du fort bruit généré par la luminosité du ciel nocturne dû à l'atmosphère terrestre, un phénomène qui affecte toutes les images astronomiques prises depuis des télescopes sur Terre. Les mêmes détails que sur l'image d'Euclid en haut à gauche pourraient être observés (avec des temps d'observation similaires) à l'aide d'un télescope terrestre doté d'un miroir de 30 à 50 mètres de diamètre (contre 1,2 mètre pour Euclid).

Figure 3 : Image couleur d’une galaxie spirale lointaine (en haut à gauche), obtenue par combinaison des lumières optique et infrarouge des instruments VIS et NISP du télescope spatial Euclid, à la résolution angulaire de NISP de 0,3 seconde d’arc par pixel. La lumière émise par le disque, qui abrite les bras spiraux, est nettement plus bleue que le bulbe central, apparaissant en jaune, un phénomène observé dans des milliers d’autres galaxies du champ observé qui présentent des bulbes de faible à moyenne intensité. De plus, le rougissement du disque galactique vers le centre et autour du bulbe est visible par comparaison avec les parties externes plus bleues du disque et des bras spiraux. Des régions bleues brillantes, témoins de la formation d’étoiles, sont également visibles le long des bras spiraux. L’image en haut à droite est l’image optique VIS seule, avec une résolution trois fois plus fine de 0,1 seconde d’arc par pixel, révélant avec plus de détails la structure des bras spiraux et leurs régions d'intense formation d’étoiles (apparaissant sous forme de points blancs), non visibles avec NISP. Les images du bas montrent la même galaxie telle qu'elle serait observée dans la bande NISP la plus rouge (en bas à gauche), et avec VIS (en bas à droite), mais depuis un télescope terrestre avec un flou atmosphérique minimal de 0,6 seconde d'arc. Les périphéries de la galaxie et les détails des bras spiraux ne sont visibles ni en infrarouge ni dans le visible, en raison du fort bruit généré par la luminosité du ciel nocturne dû à l'atmosphère terrestre, un phénomène qui affecte toutes les images astronomiques prises depuis des télescopes sur Terre. Les mêmes détails que sur l'image d'Euclid en haut à gauche pourraient être observés (avec des temps d'observation similaires) à l'aide d'un télescope terrestre doté d'un miroir de 30 à 50 mètres de diamètre (comparé à 1,2 mètre pour Euclid).
Crédit : Valérie de Lapparent, Matthew Lehnert, Louis Quilley, ESA / Euclid / Euclid Consortium / NASA, AstrOmatic.net, Traitement d'image par J.-C. Cuillandre (CEA Paris-Saclay).

Ces résultats sont confirmés par une étude de la forme de galaxies plus lointaines observées par le télescope spatial Euclid, dans le cadre des observations préliminaires (« Early Release Observations »). Les galaxies situées en arrière-plan de l'amas de galaxies de Persée (à 380 millions d'années-lumière) ont été observées telles qu'elles apparaissaient jusqu'à environ 10 milliards d'années après le Big Bang, soit plus de la moitié de l'âge de l'Univers. Par leurs formes et leurs couleurs, ces galaxies sont des sosies des galaxies proches et actuelles étudiées ici, démontrant ainsi la puissance de ce nouveau télescope. Avec une netteté 1,5 à 4 fois supérieure à celle des images des meilleurs télescopes terrestres, dans un champ de vue remarquablement grand pour un télescope spatial (environ la taille de la Lune, soit un demi-degré carré), et l'absence d'émissions atmosphériques, Euclid offre une vue spectaculaire des galaxies lointaines (voir Figure 3).

Les modélisations des bulbes et des disques des 2500 galaxies lointaines les plus brillantes, observées en lumière visible et proche infrarouge par les instruments VIS et NISP d’Euclid (à l’aide du même outil que pour les galaxies proches SourceXtractor++ ; voir Bertin, E. et al. 2020, et Kümmel, M. et al. 2020), ont révélé les couleurs moyennes de leurs étoiles : les bulbes prédominants (contenant une grande fraction de la lumière de la galaxie) sont en moyenne de la même couleur que les disques au centre desquels ils se trouvent, tandis qu’autour des bulbes plus faibles, les disques sont en moyenne plus bleus que les bulbes (voir Figure 3). Les images de ces spirales lointaines révèlent également la même propriété remarquable des disques que celle observée dans les galaxies proches : des variations dans la distribution des couleurs à la surface de leurs disques (voir Figure 3).

Quels que soient les processus exacts en jeu, ces nouvelles données démontrent le potentiel considérable d'Euclid pour approfondir notre compréhension des processus physiques complexes qui régissent l'évolution des galaxies au cours du temps. Une telle étude serait impossible sur ces galaxies lointaines avec les télescopes terrestres actuels, en raison du flou causé par l'atmosphère, combiné à son émission connue sous le nom de fond de ciel nocturne, qui masquent les parties externes des disques et les détails fins de leurs intérieurs (voir Figure 3). Grâce à l'extraordinaire netteté des images obtenues par Euclid, et à l'étendue de sa zone d'observation, environ 4000 galaxies supplémentaires ont été actuellement observées (« Data Release 1 »), et 15 fois plus le seront d'ici fin 2028. Au total, 65 millions de galaxies suffisamment brillantes pour que leurs structures internes soient résolues en détail, pourront être étudiées sur un total de plusieurs milliards observées. Ces données permettront aux chercheuses et chercheurs d'étudier les variations temporelles des proportions de galaxies avec des morphologies et masses différentes, et d'établir des liens avec les couleurs et les gradients de couleur de leurs disques et bulbes. On pourra alors observer directement l'évolution des bulbes et des disques des galaxies au cours du temps cosmique.

Liens

puce L'article (en anglais) dans Astronomy and Astrophysics : L. Quilley, M. D. Lehnert, V. de Lapparent, 2026,  « Color dichotomy and gradients in the bulges and disks of EFIGI galaxies along the Hubble sequence » (version publique)

puce L'article (en anglais) dans Astronomy and Astrophysics : L. Quilley, V. de Lapparent, M. Bolzonella, M. Baes, I. Damjanov, B. Häußler, F. R. Marleau, A. Nersesian, T. Saifollahi, D. Scott, J. G. Sorce, C. Tortora, M. Urbano et al., 2026,  « Euclid: Galaxy morphology and photometry from bulge-disk decomposition of Early Release Observations » (version publique)

puce Actualité de l'INSU/CNRS, résultat scientifique dans la thématique « Univers », le 25 juin 2026 : « Couleurs de galaxies : de nouveaux indices de l'évolution séculaire »

puce Une de l’IAP sur la morphologie et l'évolution des galaxies, 2022 : « Les visages changeants des galaxies : leurs morphologie nous racontent leur évolution au cours du temps cosmique »

Remerciements

Ce travail a utilisé les données du « Sloan Digital Sky Survey III », ainsi que celles du « Early Release Observations (ERO) » de la mission Euclid de l'Agence spatiale européenne (ESA), 2024.

Louis Quilley a bénéficié d’une bourse postdoctorale du Centre National d’Études Spatiales (CNES).

Rédaction et contact

Mise en page : Jean Mouette

Juin 2026

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