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Les galaxies starburst victimes de trous noirs supermassifs

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En utilisant le télescope Apex, une équipe d'astronomes a découvert le lien le plus fort trouvé jusqu'à présent entre les plus puissantes vagues de formation d'étoiles de l'univers primordial et les galaxies les plus massives que l'on observe aujourd'hui.

C'est dans la direction de la constellation australe du Fourneau que les télescopes de l'ESO et de la Nasa ont étudié les galaxies starburst particulièrement brillantes dans l'infrarouge. © ESO, Apex (MPIfR/ESO/OSO), A. Weiss et al., Nasa Spitzer Science Center
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Les galaxies, s'épanouissant lors de spectaculaires vagues de formation stellaire dans l'univers primordial, ont vu la naissance de nouvelles étoiles brusquement stoppée. De ce fait, ce sont aujourd'hui des galaxies massives, mais passives, composées d'étoiles vieillissantes. Les astronomes ont également identifié le coupable probable de l'arrêt soudain des vagues de formation stellaire : l'émergence de trous noirs supermassifs. Pour ce faire, ils ont combiné les observations obtenues avec la caméra Laboca installée sur le télescope de 12 mètres de diamètre Atacama Pathfinder Experiment (Apex) exploité par l'ESO avec des mesures réalisées avec le très grand télescope VLT, le télescope spatial Spitzer de la Nasa et d'autres encore, pour observer la manière dont les galaxies lumineuses distantes sont rassemblées en groupes ou en amas.

Plus les galaxies sont étroitement rassemblées, plus est massif leur halo de matière noire - la matière invisible qui constitue la grande majorité de la masse d'une galaxie. Les nouveaux résultats sont les mesures de ce rassemblement les plus précises jamais réalisées pour ce type de galaxies.

Les galaxies sont si éloignées qu'il a fallu environ 10 milliards d'années à leur lumière pour nous atteindre, nous les voyons donc telles qu'elles étaient il y a environ 10 milliards d'années. Sur ces clichés de l'univers primordial, les galaxies sont en train de produire le type de formation stellaire le plus intense connu à ce jour, appelé en anglais starburst pour exprimer l'importance de la vague de formation d'étoiles. En mesurant la masse des halos de matière noire autour des galaxies et en utilisant des simulations numériques pour étudier comment ces halos grossissent au cours du temps, les astronomes ont trouvé que ces galaxies distantes au taux de formation d’étoiles exceptionnellement grand (les « starburst galaxies ») dans l'univers primordial deviennent finalement des galaxies elliptiques géantes - les galaxies les plus massives de l'univers d'aujourd'hui.

« C'est la première fois que nous sommes capables de montrer ce lien très clair entre les galaxies ayant les plus grands taux de formation stellaire de l'univers primordial et les galaxies les plus massives visibles actuellement », explique Ryan Hickox (Dartmouth College, États-Unis et Durham University, Royaume-Uni), le scientifique responsable de l'équipe.

Apex, un télescope submillimétrique de 12 mètres, a été installé sur le plateau Chajnantor dans le désert d'Atacama au Chili. © ESO

Apex, un télescope submillimétrique de 12 mètres, a été installé sur le plateau Chajnantor dans le désert d'Atacama au Chili. © ESO

De trop brèves flambées d'étoiles

Ces nouvelles observations indiquent également que les vagues de formations stellaires intenses dans ces galaxies lointaines ne durent que 100 millions d'années - une période très courte à l'échelle cosmique - mais dans cette brève période, elles sont capables de doubler le nombre d'étoiles des galaxies. L'arrêt soudain de cette croissance rapide est un autre épisode de l'histoire des galaxies que les astronomes n'ont pas encore totalement compris. « Nous savons que les galaxies elliptiques massives ont arrêté il y a très longtemps de former des étoiles de manière plutôt soudaine et qu'elles sont maintenant passives. Et les scientifiques se demandent ce qui pourrait être suffisamment puissant pour arrêter de manière définitive ces importantes vagues de formation d'étoiles dans une galaxie tout entière », précise Julie Wardlow (University of California, Irvine, États-Unis et Durham University, Royaume-Uni), une des membres de l'équipe.

Les résultats de cette équipe apportent une explication possible : à ce stade de l'histoire de l'univers, les galaxies à fort taux de formation d'étoiles sont rassemblées d'une manière très similaire aux quasars, indiquant qu'elles se trouvent dans les mêmes halos de matière noire. Il y a de plus en plus d'indices qui suggèrent qu'une intense formation d'étoiles alimente aussi le quasar en fournissant une quantité énorme de matière au trou noir central. « En bref, les jours de gloire de la formation stellaire intense des galaxies les condamnent également en alimentant les trous noirs géants qu'elles hébergent en leur centre. Trous noirs qui vont rapidement expulser ou détruire les nuages de formation stellaire », explique David Alexander (Durham University, Royaume-Uni), membre de l'équipe.

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