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Au cœur des premières galaxies, pour la première fois

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Grâce au radiotélescope Alma, les astronomes ont entrevu pour la première fois la structure des toutes premières galaxies de l'Univers, qui, jusque-là, n'apparaissaient que sous forme de taches faiblement lumineuses. De quoi mieux comprendre leur formation et la façon dont elles ont dissipé le brouillard cosmique à l'époque de la réionisation.

Les deux nuages de Magellan visibles au-dessus d’une partie du Vaste Réseau (Sub-) Millimétrique de l’Atacama, Alma. « À l’avenir, Alma produira des images de la structure fine des galaxies primordiales et retracera le détail de la formation des toutes premières galaxies » explique Roberto Maiolino qui a contribué à cette étude qui a permis de mieux cerner des galaxies très jeunes et lointaines. © Eso, C. Malin

Lorsque les toutes premières galaxies se sont formées, quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, l'Univers était empli d'un brouillard de gaz d'hydrogène. À mesure toutefois que les sources de lumière — tant les étoiles que les quasars alimentés par de vastes trous noirs — se sont multipliées, ce brouillard s'est dissipé et l'Univers est devenu transparent au rayonnement ultraviolet. Les astronomes appellent cela l'époque de la réionisation. Jusqu'à présent, ces premières galaxies, qui revêtaient l'aspect de taches faiblement lumineuses, demeuraient mystérieuses. De nouvelles observations effectuées au moyen d'Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), et rendues possibles grâce à la toute puissance de ce réseau, sont toutefois sur le point de lever en partie ce voile de mystère.

Une équipe d'astronomes emmenée par Roberto Maiolino (Laboratoire Cavendish et institut Kavli dédié à la cosmologie, université de Cambridge) a pointé Alma en direction de galaxies dont l'existence, quelque 800 millions d'années après le Big Bang, était avérée (redshifts de 6,8 à 7,1). Les astronomes n'ont pas cherché à analyser la lumière en provenance des étoiles, mais plutôt la faible lueur émise par le carbone ionisé (cette raie spectrale tout à fait singulière emporte une grande partie de l'énergie injectée par les étoiles et permet aux astronomes de connaître la distribution du gaz froid à partir duquel les étoiles se forment) constituant en partie les nuages de gaz à partir desquels les étoiles se formaient. Leur objectif était d'étudier l'interaction entre une jeune génération d’étoiles et les nuages de gaz froid qui se sont formés au sein de ces premières galaxies.

Voir la structure interne des premières galaxies

Les astronomes n'ont pas davantage recherché les rares objets extrêmement brillants — tels des quasars et des galaxies caractérisées par des taux particulièrement élevés de formation d’étoiles — qui avaient fait l'objet d'observations antérieures. Ils se sont plutôt concentrés sur les galaxies plus classiques et bien plus nombreuses qui ont réionisé l'Univers et nous entourent aujourd'hui.

De l'une de ces galaxies, notée BDF2399, Alma a pu capter un signal, certes faible mais clair, produit par le carbone ionisé. Toutefois, cette lueur ne provenait pas du centre de la galaxie mais de sa périphérie.

Sur cette image composite d’Alma et du VLT, on découvre la galaxie BDF 3299 comme elle était 800 millions d’années seulement après le Big Bang. La tache rouge est un vaste nuage de matière détecté par Alma qui participe à la formation de la jeune galaxie. © Eso, R. Maiolino

Andrea Ferrara (École normale supérieure, Pise), coauteure de cette étude, expose l'importance de ces nouvelles découvertes : « Il s'agit de la détection la plus lointaine à ce jour de ce type d'émission en provenance d'une galaxie normale, datée de moins d'un milliard d'années après le Big Bang. Elle nous offre l'opportunité d'assister à la formation des toutes premières galaxies. Pour la première fois, elles nous apparaissent, non pas sous l'aspect de minuscules taches, mais sous la forme d'objets dotés d'une structure interne ! »

Aux dires des astronomes, la localisation périphérique de la lueur observée résulterait de la perturbation qu'exerce l'environnement hostile constitué des étoiles nouvellement formées — tant leur intense rayonnement que les effets des explosions de supernovae — sur les nuages centraux, tandis que le rayonnement produit par le carbone témoigne de l'accrétion du gaz froid qui compose le milieu intergalactique.

Un prototype de galaxies responsables de la réionisation

En combinant les nouvelles observations d'Alma à des simulations informatiques, notre compréhension des processus clés se produisant au sein des premières galaxies s'est affinée. Les effets du rayonnement stellaire, la survivance des nuages moléculaires, l'échappement du rayonnement ionisant et la structure complexe du milieu interstellaire peuvent à présent être modélisés et comparés aux observations. BDF 2399 constitue certainement un prototype des galaxies responsables de la réionisation.

« Des années durant, nous avons tenté de comprendre le milieu interstellaire et la formation des sources de réionisation. Être enfin en mesure de confronter les prévisions et les hypothèses de nos modèles aux données réelles acquises par Alma offre non seulement un moment passionnant, mais soulève également de nombreuses nouvelles questions. Ce type d'observation permettra de clarifier nombre de problèmes épineux relatifs à la formation des premières étoiles et des galaxies dans l'Univers », ajoute Andrea Ferrara.

Et Roberto Maiolino de conclure : « Sans Alma, cette étude se serait tout simplement avérée impossible. Aucun autre instrument, en effet, n'est doté de la sensibilité et de la résolution spatiale requises. Cette observation est l'une des plus profondes réalisées par Vaste Réseau (Sub-) Millimétrique de l'Atacama. Toutefois, ses capacités vont bien au-delà. À l'avenir, Alma produira des images de la structure fine des galaxies primordiales et retracera le détail de la formation des toutes premières galaxies ».