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Herschel lève un coin du voile sur l'énigme des galaxies elliptiques

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La découverte que des galaxies elliptiques massives existaient déjà quelques milliards d'années seulement après la naissance de l'univers observable a posé problème aux cosmologistes. Avec la source de lumière HXMM01, le télescope spatial Herschel vient de montrer que l'on pouvait expliquer leur apparition par la fusion de deux galaxies spirales.

Arp 274, également connu sous le nom de NGC 5679, est une collision de galaxies spirales. Cet ensemble se trouve à environ 400 millions d'années-lumière, dans la constellation de la Vierge. © Nasa, Esa

Les collisions de galaxies ne sont pas rares dans le cosmos observable, où elles se produisent en quelques centaines de millions d'années. De nombreux exemples ont donc été découverts par les astronomes depuis des décennies. Parfois, la collision s'accompagne d'une fusion, et il en résulte la formation d'une galaxie irrégulière plus massive.

On a depuis longtemps des raisons de penser que certaines collisions entre grandes galaxies spirales produisent les grandes galaxies elliptiques, formant environ 20 % des galaxies qui existent aujourd'hui. Toutefois, le modèle le plus généralement admis pour la formation des galaxies elliptiques suggère qu'elles seraient apparues graduellement, en cannibalisant de petites galaxies.


Les collisions de galaxies sont des phénomènes essentiels pour l'apparition de la vie. En effet, ces collisions peuvent entraîner la formation d'un type d'étoile qui fabrique de l'oxygène. © Dubigbangauvivant, YouTube

Des galaxies elliptiques massives trop précoces ?

Or, si tel est bien le cas, les récentes découvertes de grandes galaxies elliptiques existant déjà trois à quatre milliards d'années après la naissance de l'univers posaient une énigme aux cosmologistes. Avaient-elles vraiment eu le temps de se former en si peu de temps ? Ne fallait-il pas revoir l'âge du cosmos observable, comme le laissaient supposer les découvertes d'étoiles presque aussi vieilles que l'univers ?

En ce qui concerne ces étoiles, on sait que le problème est devenu beaucoup moins préoccupant, puisque les mesures du rayonnement fossile obtenues avec Planck ont effectivement permis d'avancer que l'on avait légèrement sous-estimé l'âge de notre univers. Or, voilà que les observations du télescope spatial Herschel, lancé en même temps que Planck, viennent alimenter le débat. Elles suggèrent que l'apparition précoce des galaxies elliptiques massives ne constitue pas un problème qui viendrait remettre en cause le modèle cosmologique standard.

En cherchant dans les données d'Herschel, et surtout en les complétant par des observations au sol à diverses longueurs d'onde, les astrophysiciens ont trouvé la véritable nature d'une source brillante nommée HXMM01. Observée alors que l'univers n'avait que trois milliards d'années environ, elle est en fait une paire de galaxies en interaction, liées par un pont de gaz.

Plusieurs télescopes ont été associés afin de découvrir une fusion très rare de deux galaxies spirales massives, qui a eu lieu lorsque l'univers avait seulement trois milliards d'années. Le télescope spatial Herschel de l'Esa a d'abord repéré l’objet appelé HXMM01 dans l’infrarouge, comme le montre l’image de gauche. Sur le zoom de l'image (à droite), on voit la combinaison de plusieurs observations à différentes longueurs d’onde (voir les explications dans le texte ci-dessous). © Nasa, Esa

SMA, JVLA et Hubble pour repérer une fusion de galaxies 

Plusieurs télescopes ont été nécessaires pour détecter la fusion de deux galaxies massives. Sur l'image de droite du schéma (ci-dessus), les données en rouge sont celles obtenues avec le Submillimeter Array (SMA) au sommet du Mauna Kea, à Hawaï. Elles montrent des régions de formation d'étoiles enveloppées par de la poussière.

Les taches vertes correspondent à l'observation du Jansky Very Large Array (JVLA) du National Radio Astronomy Observatory, près de Socorro, au Nouveau-Mexique. Elles révèlent la présence de molécules de monoxyde de carbone dans les grands nuages d'hydrogène moléculaire des galaxies.

Les images en bleu, provenant du télescope spatial Hubble et de l'observatoire W. M. Keck (Mauna Kea), montrent la lumière des étoiles dans le proche infrarouge. À l'intérieur de l'ellipse en pointillés, un pont de matière relie les deux galaxies (les points bleus, en haut et en bas), ce qui indique qu'elles sont en interaction. À l'extérieur, de part et d'autre de l'ellipse, les taches bleues plus développées représentent des galaxies situées beaucoup plus près de nous.

Chaque année, 2.000 étoiles de plus

Comme l'expliquent les chercheurs dans un article publié dans Nature et en accès libre sur arxiv, ces deux galaxies sont massives et visiblement en train de fusionner. Elles contiennent chacune environ une centaine de milliards de masses solaires sous forme d'étoiles, et l'équivalent sous forme de gaz dans le milieu interstellaire.

Cet objet astrophysique a retenu l'attention des scientifiques parce qu'une fusion avec des objets aussi massifs est rare, et qu'elle a ici été observée tôt dans l'histoire du cosmos. Le taux de formation d'étoiles y est aussi exceptionnel, avec environ 2.000 étoiles par an contre une seule chaque année dans notre Voie lactée. Le gaz disponible pour la formation de nouvelles étoiles sera donc rapidement épuisé, et cela explique bien le fait que les galaxies elliptiques ne contiennent que de vieilles étoiles et presque pas de poussières, comme on le pensait.

Comme HXMM01 est encore au milieu de son processus de fusion, les astronomes disposent là d'un laboratoire pour mieux comprendre ce qui se passe lorsque deux galaxies spirales massives fusionnent pour donner une galaxie elliptique. C'est aussi bel et bien une preuve que des galaxies elliptiques massives ont pu naturellement se former par fusion rapide au début de l'histoire du cosmos observable.

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