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On comprend mieux la genèse des galaxies spirales

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En mesurant la distribution des éléments dans une galaxie spirale distante de 9,3 milliards d'années-lumière, un groupe d'astrophysiciens a conforté la théorie selon laquelle ces grands objets se formeraient de l'intérieur vers l'extérieur.

Six photos de galaxies prises avec le Very Large Telescope (VLT) de l'observatoire du Paranal au Chili. Les photos ont été prises dans l'infrarouge, grâce à l'HAWK-I © ESO/P. Grosbøl

Le monde des galaxies apparaît complexe et diversifié. Il existe au moins deux grandes classes de galaxies, celles dites elliptiques et celles dites spirales. Grâce aux travaux de Oort exploitant la raie à 21 cm de l'hydrogène, nous savons que notre Voie lactée est elle-même une galaxie spirale d'environ 100.000 années-lumière de diamètre. On a cherché à comprendre la formation des galaxies depuis longtemps et plusieurs scénarios ont été proposés. Les choses sont devenues un peu plus compliquées lorsque la théorie de la relativité générale a été découverte et surtout l'expansion de l'univers.

De façon basique, tout part de zones de surdensités de matière dans l'univers primordial, amorçant leur effondrement gravitationnel. Il arrive alors un moment où ces zones se déconnectent de l'expansion de l'espace pour ne plus être affectées que par leur gravité propre. Si l'on considère un grand nuage de matière baryonique en rotation dans une de ces zones de surdensités, la force centrifuge perpendiculaire à l'axe de rotation de ce nuage va s'opposer à sa contraction selon cette direction mais pas parallèlement à l'axe de rotation. Il en résulte que le nuage va s'aplatir pour former un disque avec un bulbe central.

Une galaxie étudiée à la loupe

La question qui se pose alors est celle de la naissance des étoiles proprement dites dans le protodisque galactique. Une première génération va-t-elle naître presque simultanément un peu partout dans ce protodisque ou d'abord dans le bulbe central ? Pour le savoir, il faudrait mesurer la répartition des éléments lourds, plus précisément mesurer ce qu'on appelle un gradient de métallicité dans les disques des galaxies spirales alors qu'elles ne sont âgées que de quelques milliards d'années.

L'amas de galaxies Abell 370 est responsable d'un fort effet de lentille gravitationnelle produisant des images de galaxies en forme d'arcs. Le même effet de lentille a été utilisé avec l'amas MACS J1149.5+2223. © Nasa, Esa, the Hubble SM4 ERO Team and ST-ECF

C'est précisément ce que viennent de faire Tiantian Yuan et Lisa Kewley de l'Université d'Hawaï avec leurs collègues britanniques de l'Université de Durham. Pour cela, ils ont utilisé l'effet de lentille gravitationnelle d'un amas de galaxies, MACS J1149.5+2223, multipliant la luminosité d'une galaxie située à 9,3 milliards d'années-lumière dans la constellation du Lion, la rendant vingt-deux fois plus brillante.

Un fort gradient de métallicité

Mais pourquoi mesurer un gradient de métallicité ? Rappelons d'abord que les astrophysiciens ont une définition bien particulière d'un métal. Pour eux, il s'agit d'éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium. Or, toujours quelques millions d'années après le Big Bang, aucun élément plus lourd que le béryllium n'existait dans l'univers observable. Pour qu'ils apparaissent, il a fallu que les premières étoiles massives synthétisent des éléments comme le carbone, l'oxygène et le fer, puis les dispersent dans le milieu interstellaire en explosant en supernovae.

Pour départager les théories sur la formation des étoiles dans le disque de gaz d'une jeune galaxie spirale, il faut donc mesurer la répartition de ces éléments lourds. Si les étoiles se forment de l'intérieur à l'extérieur, on doit observer un appauvrissement en fer et en oxygène au fur et à mesure que l'on s'écarte du bulbe central.

Les observations conduites avec le télescope Keck II au sommet du Mauna Kea à Hawaï ont effectivement montré un tel gradient. En voyageant de seulement 10.000 années-lumière, le taux de métallicité chute de 68 % dans le cas de la galaxie observée grâce à l'effet de lentille gravitationnelle. Si l'on observe le même phénomène dans d'autres jeunes galaxies spirales, on aura donc la certitude d'avoir compris un des aspects de la formation de ces galaxies.