Une vue d'artiste de deux des galaxies elliptiques « noires » formant fiévreusement des étoiles il y a plus de 12 milliards d'années révélées par Alma. © National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ)

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Des galaxies « noires » invisibles, ancêtres des galaxies elliptiques, ont été détectées

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Le radiotélescope Alma a précisé la nature de sources infrarouges observées par Spitzer alors que le cosmos avait moins de deux milliards d'années. Invisibles aux yeux d'Hubble, il s'agissait de galaxies elliptiques « noires » massives, ancêtres de celles encore plus massives que l'on voit aujourd'hui. Problème, elles étaient bien trop nombreuses et leur existence défie le modèle cosmologique standard.

Les dernières analyses des données du satellite Planck concernant le rayonnement fossile constituent une corroboration très sérieuse du modèle standard en cosmologie. Il est devenu extrêmement douteux pour cette raison, et d'autres observations et tests des lois utilisées pour construire ce modèle standard, qu'il soit invalidé dans les grandes lignes.

Cela ne veut nullement dire que nous ne serons pas confrontés à des révolutions qui, tout en ne changeant pas les grandes lignes de ce modèle, vont nous livrer de nouvelles perspectives sur la réalité, et de la nouvelle physique. On sait d'ailleurs qu'il y a une vraie tension entre la détermination de la valeur de l'accélération de l'expansion de l'Univers observable à partir des données de Planck et celle obtenue à partir de l'étude des supernovae.

On peut par exemple s'attendre à des surprises concernant la nature de l’énergie noire et on sait que cette dernière, si elle est bien derrière l'accélération récente de cette expansion, peut influer sur la croissance des amas de galaxies.

La formation des galaxies et des grandes structures qui les rassemblent justement, n'est pas encore très bien comprise, même si on a des idées sur le sujet qui se nourrissent des observations, des théories et des simulations numériques que l’on sait faire, comme par exemple avec Illustris.

Une équipe internationale a identifié 39 galaxies jusqu'alors inconnues, grâce au télescope Alma. Ces galaxies « adultes » invisibles – dites « noires » –, dont la formation remonte à moins de 2 milliards d'années après le Big Bang, constituent le chaînon manquant pour comprendre l’évolution globale des galaxies massives dans l'Univers. L’étude, impliquant des chercheurs du CEA, du CNRS, de l’Université Paris Diderot et Sorbonne Paris Cité, est publiée dans Nature. © CEA Sciences

Une formation des galaxies accélérée par la matière noire

On peut même parler d'énigme, comme vient justement de le montrer une équipe internationale d'astronomes japonais, français et chinois qui publie un article dans le journal Nature, révélant grâce à l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) l'existence de 39 galaxies invisibles, dites « noires », ayant échappé au regard de Hubble lorsqu'il a mené les recherches à l'origine du Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey (Candels). Réalisé entre 2010 et 2013, il avait pour objectif d'explorer l'évolution galactique dans l'Univers primitif et les toutes premières graines des structures cosmiques, moins d'un milliard d'années après le Big Bang.

Dans le scénario cosmologique standard, tout commence par l'existence de fluctuations importantes dans la densité de matière noire laissée par le Big Bang et qui vont accélérer l'effondrement de la matière normale pour former rapidement des étoiles et des galaxies. Sans cette matière noire, les fluctuations de densité de la matière normale étant trop faibles, les galaxies n'auraient pas encore eu le temps de se former vraiment aujourd'hui encore, environ 13,8 milliards d'années après le Big Bang. L'effondrement se fait au début dans un régime dit linéaire, plus ou moins facile à décrire analytiquement mais à un moment, les phénomènes deviennent non linéaires et des ordinateurs sont nécessaires pour comprendre ce qui se passe tout comme dans le cas de nombreux régimes relevant de la mécanique des fluides.

Dans les grandes lignes, on pense alors que des galaxies naines se forment et qu'elles vont entrer en collision pour fusionner en donnant des galaxies de plus grande taille qui vont ensuite avaler d'autres galaxies naines. Ces processus s'accompagnant de formation d'étoiles à un taux bien plus élevé que ceux observés dans les galaxies spirales comme la Voie lactée depuis quelques milliards d'années. Les galaxies elliptiques aussi âgées ont, elles, arrêté de former des étoiles pour des raisons pas encore très bien comprises.

Or depuis des années, au fur et à mesure que l'on peut remonter dans le passé en voyant loin dans le cosmos, on découvrait des grandes galaxies tôt dans l'univers observable dont on avait bien du mal à rendre compte d'une apparition aussi précoce. Aucune conclusion ferme ne pouvait en être tirée car, presque par définition, les régimes non linéaires en physique contiennent des surprises.

Quatre des galaxies noires découvertes grâce au télescope Alma et leurs positions dans une image Hubble. © The University of Tokyo/CEA/NAOJ

Trop de galaxies elliptiques jeunes aussi massives que la Voie lactée

Aujourd'hui donc, Alma vient de préciser la nature des sources infrarouges mystérieuses que voyait déjà le télescope Spitzer, mais qui restaient invisibles sous le regard de Hubble. Ces sources infrarouges sont clairement des galaxies elliptiques sous le regard à plus haute résolution d'Alma dans le domaine millimétrique. Comme on peut le voir dans un communiqué du CEA, ces galaxies invisibles au regard d'Hubble sont qualifiées de « noires ».

Alma montre pourtant que moins de deux milliards d'années après le Big Bang, elles sont le siège d'un très important taux de formation d'étoiles, ce qui devrait donc s'accompagner de fortes émissions dans le domaine du visible et surtout de l'ultraviolet et que devrait donc voir Hubble, bien que décalées vers le rouge. Pour expliquer cette relative invisibilité, il faut donc supposer qu'elles contiennent déjà de très importantes quantités de poussières bloquant ces lumières mais émettant tout de même dans l'infrarouge. Ce qui n'est pas facile à expliquer aussi tôt dans l'histoire du Cosmos.

Mais la réelle surprise ne se trouve pas au niveau de la poussière dans ces jeunes galaxies elliptiques « noires » comme l'explique - dans un communiqué du CEA et dans la vidéo ci-dessus - David Elbaz, astronome du CEA au laboratoire AIM (Université Paris Diderot/CEA/CNRS) et coauteur de la publication de Nature : « ces galaxies détectées par Alma constituent probablement la première population de galaxies elliptiques massives formées dans l'Univers jeune... mais il y a un problème. Elles sont étonnamment abondantes ! ».

On devrait surtout voir des galaxies naines et peu de ces galaxies elliptiques juvéniles formant encore des étoiles de façon effrénée et déjà aussi massives que la Voie lactée. Quelque chose a donc accéléré la formation de ces galaxies qui sont les ancêtres des galaxies elliptiques encore plus massives mais inactives, donc « mortes » que l'on voit dans le cosmos observable depuis quelques milliards d'années.

Une nouvelle physique ou une meilleure compréhension des processus complexes mais d'une physique déjà connue à l'œuvre de quelques centaines de millions d'années, et deux milliards d'années après le Big Bang, voire les deux, apporteront sans doute la réponse.

  • Le radiotélescope Alma a précisé la nature de sources infrarouges observées par Spitzer alors que le cosmos avait moins de deux milliards d’années.
  • Invisibles aux yeux d’Hubble, il s’agissait de galaxies elliptiques « noires » massives, ancêtres de celles encore plus massives que l’on voit aujourd’hui.
  • Problème, elles sont apparues bien trop rapidement dans l'univers jeune et contiennent déjà bien trop de poussières bloquant la lumière émise par une formation stellaire effrénée.
  • Quelque chose nous échappe dans la théorie de la formation et de l'évolution précoce des galaxies au cours du premier milliard d'années de l'histoire du cosmos depuis le Big Bang.
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