Cette image montre l'immense amas de galaxies MACS J1149.5+223, dont la lumière a mis plus de 5 milliards d'années pour nous parvenir. L'énorme masse de l'amas dévie la lumière d'objets plus éloignés. La lumière de ces objets a été amplifiée et déformée en raison de l'effet de lentille gravitationnelle. La galaxie MACS J1149.5+223 a pu être observée grâce à lui. © Nasa, ESA, S. Rodney (John Hopkins University, USA) and the FrontierSN team; T. Treu (University of California Los Angeles, USA), P. Kelly (University of California Berkeley, USA) and the GLASS team; J. Lotz (STScI) and the Frontier Fields team; M. Postman (STScI) and the CLASH team; and Z. Levay (STScI)
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Découverte d'une galaxie primordiale qui débute sa rotation

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[EN VIDÉO] La galaxie la plus lointaine observée  HD1 pourrait abriter un quasar ou une population mythique d'étoiles primitives. 

Elle date des débuts de l'Univers, plus précisément quelque 500 millions d'années après le Big Bang. C'est la galaxie en rotation la plus ancienne jamais observée, et elle donne des indices sur la formation des galaxies primordiales.

Des chercheurs viennent de découvrir la galaxie en rotation la plus lointaine jamais observée. Elle a traversé plus de 13,26 milliards d'années-lumière avant d'arriver à nous, et se nomme MACS1149-JD1, raccourci en JD1. Mais ce qui fait sa particularité, c'est sa vitesse de rotation : JD1 tourne sur elle-même bien plus lentement que les galaxies en rotation provenant d'une époque moins ancienne. « La vitesse de rotation de JD1 est beaucoup plus lente que celles trouvées dans les galaxies des époques ultérieures et notre Galaxie et il est probable que JD1 soit à un stade initial de développement d'un mouvement de rotation », explique Akio Inoue, coauteur d'une étude publiée dans la revue The Astrophysical Journal et professeur à l'Université Waseda.

La formation des premières galaxies, encore mystérieuse aujourd'hui

La formation des toutes premières galaxies ne fait pas encore consensus. La théorie la plus acceptée suggère qu'elles se sont formées suite aux fluctuations primordiales de densités, qui sont à l'origine de la structure de l'Univers. Ces fluctuations ont donné lieu à des zones denses, constituées à la fois de matière noire et de gaz. Petit à petit, ce gaz s'est condensé, et cet amas de matière s'est agrandi : naissent alors les toutes premières galaxies durant la réionisation, composées seulement d'hydrogène et d'hélium, les éléments les plus légers du tableau périodique. La formation stellaire n'entre en jeu qu'après la création de ces galaxies primordiales. C'est lorsqu'un nuage de gaz contenu dans la galaxie, appelé nébuleuse, s'effondre sur lui-même par gravitation qu'une étoile se forme. Dans une galaxie, ce processus entre en jeu de nombreuses fois, d'abord au niveau du centre de la galaxie, là où la majorité des poussières et gaz se trouve, puis petit à petit cette formation stellaire s'excentre.

La mise en rotation se développe dès les premiers instants des galaxies, lorsqu'elles ne sont encore que des halos de matière. Mais elle accélère ensuite, poussée par la formation d'étoiles qui accentuent les effets gravitationnels subis de part et d'autre de la galaxie. Ainsi, pour déterminer le stade d'évolution d'une galaxie, les astronomes utilisent les propriétés des étoiles et des gaz qui la composent, comme leur mouvement ou leur âge. Pour ces observations, ils utilisent l'effet de lentille gravitationnelle : lorsqu'un objet particulièrement massif déforme la lumière des objets qui se situent derrière lui par rapport à l'observateur. Cet effet permet de « grandir » certains objets trop peu lumineux pour être observés directement, en amplifiant la lumière qu'ils émettent. Ils apparaissent cependant déformés, ce qui oblige les chercheurs à les reconstruire à partir des données collectées.

Cette image montre l'amas de galaxies MACS J1149.5+2223 pris avec le télescope spatial Hubble de la Nasa, ESA ; l'image en médaillon est la très lointaine galaxie MACS1149-JD1, vue telle qu'elle était il y a 13,3 milliards d'années et observée avec Alma. Ici, la distribution d'oxygène détectée avec Alma est représentée en rouge. © Alma (ESO/NAOJ/NRAO), Nasa/ESA Hubble Space Telescope, W. Zheng (JHU), M. Postman (STScI), the CLASH Team, Hashimoto et al.

JD1 permet de dater la mise en rotation tardive des galaxies primordiales

Mais la galaxie qui nous intéresse aujourd'hui, c'est bien JD1. Découverte par le télescope Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), situé au Chili, bien désigné pour ça, elle l'a été grâce à diverses campagnes d'observation effectuées entre octobre 2018 et décembre 2018, pour un total de presque 10 heures d'observation. Pour connaître son âge, les chercheurs ont mesuré grâce à Alma son décalage vers le rouge, aussi appelé « redshift ». Il correspond au décalage du spectre lumineux vers des plus grandes longueurs d'onde lorsqu'un objet s'éloigne de l'observateur. C'est l'effet Doppler, le même qui change la perception des notes de la sirène d'ambulance : le son paraît plus aigu lorsqu'elle s'approche (petite longueur d'onde), et plus grave lorsqu'elle s'éloigne.

Or, à cause de l'expansion de l'Univers, plus une galaxie est ancienne, donc lointaine, plus elle s'éloigne vite de nous. Avec un décalage spectral particulièrement élevé (z = 9,1), les chercheurs lui ont attribué une population stellaire âgée de quelques centaines de millions d'années, suggérant alors une époque de formation plus ancienne, d'environ z = 15. « Au-delà de la découverte de galaxies à décalage vers le rouge élevé, à savoir très éloignées, l'étude de leur mouvement interne du gaz et des étoiles fournit une motivation pour comprendre le processus de formation des galaxies dans l'Univers le plus ancien possible », explique le professeur Richard S. Ellis, coauteur de l'étude et chercheur à l'University College de Londres. 

Avec un diamètre de 3.000 années-lumière, contre 100.000 pour la Voie lactée, elle se révèle, comme l'explique l'étude, dominée par la rotation, et non par la dispersion : la dispersion des vitesses est bien inférieure à la vitesse de rotation des étoiles qui composent la galaxie. Cette propriété a permis à l'équipe de modéliser la dynamique de JD1, et d'en déduire d'autres de ses caractéristiques. Notamment, les étoiles qui la composent. Elle contient de nombreuses étoiles matures, âgées d'environ 300 millions d'années, donc formées il y a plus de 13,5 milliards d'années. « Cela montre que la population stellaire de JD1 s'est formée à une époque encore plus ancienne de l'âge cosmique », explique le Dr. Takuya Hashimoto, coauteur de l'étude et chercheur à l'université de Tsukuba.

Cette infographie résume les recherches effectuées sur la galaxie MACS1149-JD1. Sa population d'étoiles matures, ayant déjà 300 millions d'années d'existence, suggère qu'elle aurait été formée seulement 200 à 300 millions d'années après le Big Bang. © Tokuako et al. (2022), The Astrophysical Journal Letters

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