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Hubble éclaire l'histoire mouvementées des galaxies elliptiques

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On débat de l'origine des galaxies elliptiques depuis des décennies. Des observations réalisées avec Hubble, mais aussi d'autres télescopes, suggèrent fortement qu'elles ont évolué à partir d'une population primitive qui correspondrait aux galaxies submillimétriques (SMG) à sursaut de formation d'étoiles. Nées de la fusion de galaxies riches en gaz, les SMG seraient rapidement devenues les galaxies massives et compactes dépourvues de formation d'étoiles que l'on observe trois milliards d'années après le Big Bang.

Une comparaison entre la taille de la Voie lactée et celle des galaxies ultracompactes contenant presque la même quantité d'étoiles. Ces galaxies sont devenues « mortes » trois milliards d'années après la naissance de l'univers, car la formation de nouvelles étoiles s'y était arrêtée. Leur apparition précoce dans l'histoire du cosmos est maintenant reliée à une population antérieure de galaxies hyperactives riches en poussières et en gaz, les galaxies submillimétriques. © Nasa, Esa

Il a fallu attendre les travaux d'Edwin Hubble pendant les années 1920 pour que l'on ait les preuves que des nébuleuses comme M31 ou M104 étaient bien des objets extragalactiques. La galaxie d'Andromède et celle du Sombrero n'étaient donc pas des objets de la Voie lactée, mais des univers-îles analogues à notre Galaxie, comme l'avait compris Kant dès le XVIIIe siècle. Dans les années 1930, l'astronome constitua aussi une classification des galaxies encore employée sous le nom de séquence de Hubble. Hubble pensait qu'elle reflétait une évolution des galaxies. Son idée de base était juste, mais pas les relations qu'il établissait entre les galaxies. On sait ainsi que les galaxies elliptiques ne sont pas les progénitrices des galaxies spirales.

De nos jours, les cosmologistes et les astrophysiciens disposent d'outils performants pour retracer l'histoire des galaxies. Ils utilisent par exemple les observations de Spitzer, Herschel et bien sûr du télescope spatial Hubble. On attend aussi beaucoup de Gaïa, qui devrait nous permettre de faire en quelque sorte de l'archéologie galactique dans la Voie lactée. Pour l'heure, les chercheurs annoncent qu'ils pensent avoir résolu une énigme soulevée par des observations menées depuis une dizaine d'années.

Des galaxies compactes aussi massives que la Voie lactée

Pendant cette période, on a découvert que seulement trois milliards d'années après le Big Bang la moitié des galaxies les plus massives avaient déjà épuisé leurs réserves de gaz et n'étaient plus le lieu de formations d'étoiles. En cela, elles partageaient des points communs avec les galaxies elliptiques observées plus récemment dans l'histoire de l'univers, mais la densité des étoiles y était 10 à 100 fois supérieure. Comment de telles galaxies aussi compactes et massives, et dans lesquelles la naissance de nouvelles étoiles s'était arrêtée, avaient-elles pu apparaître aussi rapidement dans le cosmos observable ?

Les astrophysiciens pensent maintenant que la genèse et l'évolution des galaxies elliptiques sont celles qu'indique la séquence d'événements sur ce schéma. Tout commencerait avec la formation de galaxies submillimétriques (SMG) à la suite de fusions (mergers en anglais) de galaxies riches en gaz entre un et deux milliards d'années après le Big Bang. Dans l'objet formé, le gaz chuterait vers le centre, causant un sursaut de formation d'étoiles et peut-être aussi l'allumage d'un quasar. Fortement appauvries en gaz, les SMG deviennent alors des galaxies très compactes ressemblant aux galaxies elliptiques.

Les astrophysiciens pensent maintenant que la genèse et l'évolution des galaxies elliptiques sont celles qu'indique la séquence d'événements sur ce schéma. Tout commencerait avec la formation de galaxies submillimétriques (SMG) à la suite de fusions (mergers en anglais) de galaxies riches en gaz entre un et deux milliards d'années après le Big Bang. Dans l'objet formé, le gaz chuterait vers le centre, causant un sursaut de formation d'étoiles et peut-être aussi l'allumage d'un quasar. Fortement appauvries en gaz, les SMG deviennent alors des galaxies très compactes ressemblant aux galaxies elliptiques. © Nasa, Esa, Niels Bohr Institute, STScI

Il y a 20 ans environ, l'instrument Submillimeter Common-User Bolometer Array (Scuba) équipant le télescope James Clerk Maxwell à Hawaï, avait permis la découverte des galaxies submillimétriques (SMG ou Submillimeter Galaxies en anglais). Elles sont si riches en poussières que celles-ci les rendent très peu lumineuses dans le domaine visible. Les SMG sont par contre très lumineuses dans le domaine submillimétrique, ce qui s'explique par le fait qu'elles sont le lieu d'une intense formation d'étoiles à un taux des milliers de fois supérieur à celui observé dans la Voie lactée.

Du gaz expulsé par les vents stellaires des quasars ?

En utilisant les observations faites depuis l'espace avec Hubble, Spitzer et Herschel, et depuis le sol avec le télescope Subaru, des astronomes viennent de faire le lien entre les SMG et les galaxies ultracompactes. Les mesures des caractéristiques des deux populations (masse, taille, répartition, etc.) indiquent que les galaxies ultracompactes proviennent de la fusion des SMG. Les chercheurs peuvent maintenant retracer plus précisément l'histoire de la genèse des galaxies elliptiques, comme ils l'expliquent dans un article déposé sur arxiv.

Tout aurait commencé par la formation et la fusion de petites galaxies riches en gaz entre un et deux milliards d'années après le Big Bang. La fusion de ces galaxies provoquant une intense formation d'étoiles, elle aurait donné naissance aux galaxies submillimétriques transitoires. Les SMG auraient donc consommé ensuite très rapidement leur gaz avec la formation d'étoiles. Mais il se peut aussi que le flot de rayonnement produit par les étoiles, et lorsque le trou noir central des SMG était encore un quasar, ait expulsé de ces galaxies une partie de ce gaz. Finalement inactives, les SMG seraient devenues les galaxies ultracompactes observées trois milliards d'années après le Big Bang. Ces objets auraient continué à évoluer pour donner les galaxies elliptiques géantes présentes actuellement dans le cosmos observable.

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