Une vue d'artiste du disque de Wolfe .© NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
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Des disques galactiques massifs existaient déjà tôt après le Big Bang

ActualitéClassé sous :cosmologie , formation galaxies , filament froid

La découverte d'une galaxie à disque massive en rotation seulement 1,5 milliard d'années après le Big Bang, confirme la nécessité du changement de paradigme amorcé il y a 10 ans environ, concernant la formation et la croissance des galaxies. Il faudrait bien faire intervenir des courants de matière baryonique froids canalisés par des filaments de matière noire.

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[EN VIDÉO] En accéléré, regardez naître les galaxies  Sous nos yeux, se forment les galaxies, 20 millions d'années après le Big Bang. Elles grandissent, s'attirent, se rapprochent et fusionnent parfois. En d'autres endroits, elles restent groupées en amas, le long d'immenses filaments. Cette reconstitution, qui vient de la Nasa, retrace l'évolution d'un morceau de l'univers, jusqu'à la formation des grandes structures cosmiques que nous voyons aujourd'hui. 

Une équipe internationale d'astrophysiciens vient d'annoncer dans le journal Nature (article en accès libre sur arXiv) que les dernières données de la radioastronomie confirmaient la nécessité d'un changement de paradigme en ce qui concerne la formation des galaxies -- des données acquises par la noosphère grâce aux tout nouveaux yeux dont elle s'est dotée, en l'occurrence l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma), mais aussi des plus anciens.

En réalité, ce changement de paradigme est déjà bien amorcé depuis une dizaine d'années comme l'avait expliqué à Futura le cosmologiste Romain Teyssier dans une interview qu'il nous avait accordée. Au début du XXIe siècle encore, alors que des instruments, comme le télescope Hubble, donnaient de plus en plus accès au ciel profond et aux galaxies situées à des milliards d'années-lumière de la Voie lactée, on pensait généralement que les collisions et les fusions entre les jeunes galaxies étaient nombreuses au début de l'histoire de l'Univers observable et que c'était de cette façon que des grandes galaxies spirales en rotation, comme la Voie lactée ou Andromède, étaient apparues. Ces collisions et ces fusions se poursuivaient aujourd'hui mais de façon moins intense depuis quelques milliards d'années.

Le scénario proposé, soutenu par des images de Hubble justement montrant des jeunes galaxies très irrégulières et produits de collisions en cours, était donc le suivant. En quelques centaines de millions d'années, juste après le Big Bang, des galaxies naines se seraient formées en grand nombre, puis auraient commencé à entrer en collision pour fusionner en donnant des galaxies plus grandes, avalant le plus souvent des galaxies naines, mais entrant également en collision avec leurs sœurs de taille comparable.

Dans toutes ces collisions, les ondes de chocs entre le gaz interstellaire dans les galaxies et entre le gaz autogravitant formé par les étoiles dans ces galaxies portaient ces gaz à hautes températures, de sorte qu'il fallait des milliards d'années pour qu'ils se refroidissent, après des flambées de formation de nouvelles étoiles par ailleurs. Les grandes galaxies à disques comme notre Voie lactée -- et pas seulement celles qui sont spirales -- n'auraient donc commencé à prendre les formes bien régulières et plus « froides » qu'on ne leur connait que depuis 6 milliards d'années environ. Rappelons que, d'après les observations, notamment celle du satellite Planck concernant le rayonnement fossile, le cosmos observable est âgé d'environ 13,8 milliards d'années.

Une conférence de Romain Teyssier sur la cosmologie numérique appliquée à la naissance et l'évolution des galaxies. Les simulations débutent avec, comme conditions initiales, les contraintes sur les fluctuations de densité de matière environ 400.000 ans après le Big Bang telles que nous l'enseigne la carte du rayonnement fossile dressée avec le satellite Planck. Le chercheur explique surtout que, selon l'acuité de la modélisation de la physique des baryons (notamment avec une résolution de plus en plus grande en ce qui concerne les échelles d'espace et de temps dans les simulations), avec la formation des étoiles et pas seulement en tenant compte de la physique de la matière noire, une grande diversité de phénomènes et surtout de formes de galaxies apparaît. © Collège de France

Des superordinateurs pour comprendre l'évolution des galaxies

Toutefois, les années passant, des difficultés sont apparues avec ce scénario. Selon lui, par exemple, ce serait uniquement à l'occasion de ces fusions, apportant donc beaucoup de gaz interstellaire, que les trous noirs supermassifs au cœur des galaxies étaient suffisamment alimentés en matière pour devenir les éblouissants quasars. Or, ce n'est pas ce que les observations ont fini par montrer.

Enfin, les progrès dans les simulations de la formation des galaxies et de la formation des grandes structures avec des filaments rassemblant les amas de galaxies autour de bulles presque vides racontaient depuis une décennie une tout autre histoire où les collisions et fusions ne jouent en fait qu'un rôle marginal de la naissance et la croissance des galaxies. Or, ces simulations collent souvent bien avec les observations et surtout les plus récentes comme l'expliquait Romain Teyssier.

Un nouveau scénario en émergeait, faisant jouer un rôle clé à la matière noire froide du modèle cosmologique standard dont le prix Nobel de physique James Peebles a été un des grands pionniers.

Selon ce nouveau paradigme, la matière noire, dont la masse domine nettement celle de la matière ordinaire, s'est effondrée gravitationnellement rapidement en formant des filaments de matière qui vont connecter les galaxies et les amas de galaxies en provoquant du même coup la formation de filaments de matière ordinaire froide canalisés vers les jeunes galaxies et les alimentant.

De cette manière, il était possible de faire naître très rapidement des grandes galaxies et sans faire intervenir des collisions. On expliquait donc les découvertes de grandes galaxies jeunes et les allumages de quasars sans collisions. Enfin, la théorie prédisait que l'on devrait observer des grandes galaxies spirales dans les premiers milliards d'années de l'histoire du cosmos. C'est justement ce que vient d'annonce la découverte décrite dans Nature.

Une présentation de la découverte du disque de Wolfe, la galaxie à disque en rotation la plus lointaine connue à ce jour. © NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

Une large population cachée de galaxies à disque

Alma a permis d'identifier une grande galaxie à disque contenant déjà environ 72 milliards de masses solaires, et ce, seulement 1,5 milliard d'années après le Big Bang. D'abord découverte et étudiée dans le domaine millimétrique et submillimétrique avec ce réseau de radiotélescope, les secrets de la galaxie DLA0817g ont ensuite été scrutés dans le domaine radio avec le Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), puis dans l'ultraviolet avec le télescope Hubble.

Rebaptisée depuis disque de Wolfe, en l'honneur du défunt astrophysicien et cosmologiste Arthur Wolfe, à qui l'on doit notamment la découverte du fameux effet Sachs-Wolfe, la galaxie s'est révélée avoir un taux de formation d'étoiles 10 fois supérieur à celui de la Voie lactée. Les raies d'absorption dans la lumière provenant d'un quasar encore plus lointain que le disque de Wolfe et qui avait permis sa découverte indiquent également qu'il est en rotation à la vitesse de 272 kilomètres par seconde, ce qui est comparable au cas de notre Galaxie. Ces raies indiquent aussi qu'il contient beaucoup de gaz froid.

Toutes ces observations font dire à Marcel Neeleman de l'Institut Max Planck d'astronomie à Heidelberg, en Allemagne, et auteur principal de l'article publié dans Nature qu' « alors que des études antérieures laissaient entendre l'existence de ces premières galaxies à disques riches en gaz et en rotation, grâce à Alma, nous avons maintenant des preuves sans ambiguïté qu'elles se forment bien et dès 1,5 milliard d'années après le Big Bang. Le fait que nous ayons trouvé le disque de Wolfe en utilisant cette méthode (avec la lumière d'un quasar, ndlr), nous indique qu'il appartient à la population normale de galaxies présentes à une époque précoce. Lorsque nos dernières observations avec Alma ont montré de façon surprenante qu'il tournait, nous avons réalisé que les premières galaxies à disque en rotation ne sont pas aussi rares que nous le pensions et qu'il devrait y en avoir beaucoup plus ».

Futura a demandé des explications supplémentaires à Romain Teyssier qui a bien voulu répondre à nos questions.

Romain teyssier est professeur d'astrophysique computationnelle à l'Université de Zurich. Il travaille sur des simulations des structures cosmiques à l'aide de superordinateurs, afin de comprendre l'origine d'objets astrophysiques tels que les étoiles (comme notre Soleil) et les galaxies (comme notre Voie Lactée). Il modélise également l'évolution de l'Univers tout entier dans le cadre de la mission Euclid. © Theo von Daeniken, University of Zurich

Futura-Sciences : Dans quelle mesure peut-on dire que la découverte du disque de Wolfe est une confirmation du modèle cosmologique standard avec matière noire et constante cosmologique ?

Romain Teyssier : Rien ne montre qu'elle le contredit en tout cas et il n'est toujours pas possible d'expliquer les caractéristiques du rayonnement fossile sans faire usage d'un modèle de matière noire, c'est-à-dire en utilisant par exemple la théorie Mond. La formation aussi précoce d'une galaxie, comme le disque de Wolfe, n'est pas du tout impossible dans le cadre du modèle cosmologique standard même si ce type d'objet devrait être aussi fréquent que des grands amas de galaxie, comme celui de la Chevelure de Bérénice, encore appelé amas de Coma, qui contient plus de 1.000 galaxies identifiées. Il devrait en exister en moyenne un dans une sphère dont le rayon est de 100 mégaparsec. De toute manière, l'article de Marcel Neeleman et ses collègues n'aborde pas la question d'une évaluation statistique de l'occurrence des galaxies à disques comme le disque de Wolfe.

Futura-Sciences : C'est une nouvelle confirmation, s'il en fallait, du modèle des courants froids pour la croissance des galaxies ?

Romain Teyssier : Absolument, à l'époque de la formation des galaxies correspondant à celle du disque de Wolfe, les fusions importantes de galaxies de grandes tailles devaient être rares et ce sont ces courants de matière baryonique froids qui représentent le processus de croissance dominant des galaxies.

Futura-Sciences : Les caractéristiques de DLA0817g plaident-elles vraiment en faveur de cette interprétation ?

Romain Teyssier : Oui, les observations montrent que l'on est en présence d'une galaxie seulement un peu plus petite et un peu moins massive que la Voie lactée par son contenu en gaz mais son disque est beaucoup plus épais que celui de notre Galaxie qui est vraiment mince. Enfin, les dispersions des vitesses de la matière dans ce disque sont assez importantes ainsi que son contenu en gaz.

C'est exactement ce à quoi on pouvait s'attendre avec le modèle des courants froids. On est en présence d'un disque où le contenu est très turbulent et où cette turbulence et la présence de grandes quantités de gaz, alors que la formation stellaire est importante, sont maintenues en continu par l'apport des courants froids.

  • Le radiotélescope Alma a découvert une galaxie à disque massive en rotation existant déjà seulement 1,5 milliard d'années après le Big Bang.
  • Une telle découverte n'est pas favorable au scénario de la croissance des galaxies par fusion mais s'explique bien dans le cadre du paradigme où des courants de matière froide canalisés par des filaments de matière noire font croître paisiblement les galaxies.
  • Ce scénario était soutenu par des simulations numériques depuis une décennie et les observations en sa faveur se multiplient depuis quelques années.
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