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Un quasar révèle l'existence des galaxies noires primitives

Comment se sont formées et ont évolué les galaxies dans l’univers observable ? Un maillon de cette évolution a peut-être été trouvé dans l’univers lointain. Il s’agirait de protogalaxies pauvres en étoiles mais riches en gaz et qui, cannibalisées par les autres galaxies, ont alimenté la formation massive des étoiles. Peu lumineuses, ces galaxies noires ont été repérées grâce à un quasar. 

Cette image profonde montre une région du ciel autour du quasar HE0109-3518. Le quasar, proche du centre de l'image, se trouve dans la constellation du Sculpteur. © Eso, Digitized Sky Survey 2, S. Cantalupo (UCSC) Cette image profonde montre une région du ciel autour du quasar HE0109-3518. Le quasar, proche du centre de l'image, se trouve dans la constellation du Sculpteur. © Eso, Digitized Sky Survey 2, S. Cantalupo (UCSC)

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On simule la formation des galaxies et des grandes structures dans l’univers observable depuis des décennies. La dernière simulation en date, la plus complète, se nomme Deus. Elle tient compte du contenu en matière noire de l’univers et doit servir à tester des modèles d’énergie noire en fournissant des prédictions que l’on peut comparer aux observations. Toutefois, les détails de l’interaction de la matière noire avec la matière baryonique, et même le comportement de la matière baryonique à l’échelle des galaxies, sont généralement laissés un peu de côté dans les simulations. Il reste également encore beaucoup à comprendre sur les galaxies et leur contenu en matière normale. Il apparaît d’ailleurs que les galaxies se comportent aussi en accord avec la théorie Mond.

Parmi les propositions pour expliquer la croissance des galaxies depuis le Big Bang il y a 13,7 milliards d’années (comme celle des courants froids), une fait intervenir des galaxies noires. Il n'est pas question, à proprement parler, des galaxies du même nom que l’on croit observer et qui seraient très majoritairement formées de matière noire, mais de sorte de petites galaxies primitives, riches en gaz et pauvres en étoiles.

La formation des étoiles est facilitée par l’existence de poussières carbonées et silicatées, et donc celle d’éléments lourds formant ces poussières. Mais cela revient au fameux problème de l’œuf et de la poule car dans l’univers primitif, il n’y avait pas de noyaux de carbone ou de silicium. Ceux-ci se forment par nucléosynthèse stellaire, c'est-à-dire dans les étoiles.

Pour sortir de ce dilemme, on a proposé, et cela semble bel et bien être le cas, que l’hydrogène moléculaire puisse servir à la formation des premières étoiles. Mais celle-ci devait rester difficile. C’est pourquoi il paraît naturel de supposer qu'il devait exister initialement dans l’univers des sortes de nuages moléculaires géants, abritant une faible population d’étoiles constituant des protogalaxies naines.

Cette image profonde montre une région du ciel autour du quasar HE0109-3518. Le quasar est repéré par un cercle rouge à proximité du centre de l'image. Le rayonnement énergétique du quasar fait briller les galaxies noires, aidant ainsi les astronomes à comprendre les phases primordiales obscures de la formation des galaxies. Les images faibles du rayonnement de 12 galaxies noires sont indiquées par des cercles bleus. Les galaxies noires sont pratiquement dénuées d'étoiles et, de ce fait, elles n'émettent aucune lumière que les télescopes peuvent capter. Elles sont ainsi pratiquement impossibles à observer à moins qu'elles ne soient illuminées par une source lumineuse extérieure comme un quasar en arrière-plan. Cette image combine des observations faites avec le VLT, dédiées à la détection d'émissions fluorescentes produites par un quasar illuminant les galaxies noires, avec des données couleur provenant du Digitized Sky Survey 2. © ESO, Digitized Sky Survey 2, S. Cantalupo (UCSC)
Cette image profonde montre une région du ciel autour du quasar HE0109-3518. Le quasar est repéré par un cercle rouge à proximité du centre de l'image. Le rayonnement énergétique du quasar fait briller les galaxies noires, aidant ainsi les astronomes à comprendre les phases primordiales obscures de la formation des galaxies. Les images faibles du rayonnement de 12 galaxies noires sont indiquées par des cercles bleus. Les galaxies noires sont pratiquement dénuées d'étoiles et, de ce fait, elles n'émettent aucune lumière que les télescopes peuvent capter. Elles sont ainsi pratiquement impossibles à observer à moins qu'elles ne soient illuminées par une source lumineuse extérieure comme un quasar en arrière-plan. Cette image combine des observations faites avec le VLT, dédiées à la détection d'émissions fluorescentes produites par un quasar illuminant les galaxies noires, avec des données couleur provenant du Digitized Sky Survey 2. © ESO, Digitized Sky Survey 2, S. Cantalupo (UCSC)

Très peu lumineuses, elles méritent donc bien d’être appelées des galaxies noires. Lors de la formation de galaxies de plus grandes tailles par fusion de petites galaxies, ces galaxies noires ont pu servir longtemps de réservoirs de gaz prêts à être avalés. Elles auraient donc permis la formation stellaire intense dans les grandes galaxies, là où l’évolution de la matière avait fini par faire augmenter le taux d’éléments lourds favorables à la formation de nouvelles étoiles, pourvu que du gaz frais soit continuellement disponible.

Un quasar qui fait briller des galaxies noires

Mais comment tester cette théorie ? Ces galaxies noires devaient contenir aussi de l’hydrogène atomique et donc pouvoir être détectées comme des sources de rayonnement grâce à la fameuse raie à 21 cm de l’hydrogène. Malheureusement, ces galaxies noires étant anciennes donc lointaines pour la plupart, ce rayonnement était trop faible pour être véritablement détecté avec les moyens actuels.

Mais il existe un rayonnement que l’on peut observer à grande distance dans l’univers observable : celui de la raie Lyman-alpha de l’hydrogène. En laboratoire, sur Terre, on observe l’émission de cette raie dans l’ultraviolet lorsque les électrons des atomes d’hydrogène passent du second niveau d’énergie au niveau fondamental. Or, sous l’action du rayonnement intense des premiers trous noirs supermassifs formant des quasars, cette raie Lyman-alpha donnait lieu à une émission par fluorescence des nuages de gaz des galaxies noires entourant les quasars.

Cela faisait plusieurs années que des astrophysiciens avaient proposé d’étudier cette raie, décalée vers le violet du fait de l’expansion de l’univers, pour mettre en évidence des signatures caractéristiques des galaxies noires. Des progrès aussi bien sur le plan de la théorie de ces émissions que des techniques de détection ont fini par payer, comme le montre un article publié sur arxiv par des astrophysiciens de l’ESO.

Ils ont effectivement détecté, grâce aux instruments équipant le VLT, 12 galaxies noires se signalant par leurs émissions par fluorescence autour du quasar HE 0109-3518. Elles sont situées à quelques millions d’années-lumière tout au plus du quasar. Comme le prévoyait la théorie, le taux de formation stellaire mesuré dans ces galaxies est faible. Il est 100 fois inférieur à celui des grandes galaxies à cette époque reculée de l’histoire de l’univers observable.

En résumé, selon les mots d’un des astrophysiciens auteur de l’article, Sebastiano Cantalupo : « Nos observations avec le VLT ont fourni la preuve de l'existence de nuages noirs compacts et isolés. Avec cette étude, nous avons fait un pas capital vers la découverte et la compréhension des premières et obscures phases de la formation des galaxies et sur la manière dont les galaxies acquièrent leur gaz ».


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