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Les étoiles des galaxies elliptiques ne naissent plus qu’en périphérie

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Elles sont anciennes, ont fabriqué près de la moitié des étoiles de l'Univers mais n'en génèrent presque plus : ce sont les galaxies elliptiques. Comment se déroule cette chute de production ? Il semble que la fin de la formation stellaire commence au centre puis se propage vers la périphérie. C'est ce que montrent des observations, effectuées avec le VLT et Hubble, qui ont pour la première fois mis en évidence cet arrêt progressif au sein de galaxies elliptiques survenu quelque trois milliards d'années après le Big Bang.

IC 2006 est une galaxie elliptique plutôt passive de l’univers local. Elle est ici photographiée dans le visible et l’infrarouge par Hubble. À l’instar de ses congénères, cette galaxie massive appartenant à un type désigné aussi comme « sphéroïde », a progressivement cessé de produire des étoiles au sein de sa partie centrale pour délocaliser les naissances sur les bordures, il y a plusieurs milliards d’années. © Esa, Hubble, Nasa, Judy Schmidt, J. Blakeslee (Dominion Astrophysical Observatory)

La façon dont les galaxies elliptiques, inertes et massives à la fois, largement répandues dans l'univers actuel, ont cessé de produire des étoiles à un rythme effréné constitue l'une des questions majeures de l'astrophysique moderne. Typiquement, ces énormes galaxies, souvent nommées sphéroïdes en raison de la forme qu'elles arborent, affichent une densité d'étoiles dix fois plus élevée que les régions centrales de notre galaxie, la Voie lactée, et une masse quelque dix fois supérieure.

Parce qu'elles présentent une forte abondance en vieilles étoiles rouges, qu'elles sont dépourvues de jeunes étoiles bleues et ne manifestent aucun signe de formation de nouvelles étoiles, les astronomes qualifient ces énormes galaxies de rouges et passives. L'âge estimé de leurs vieilles étoiles rouges suggère que ces galaxies hôtes ont cessé d'en produire de nouvelles voici 10 milliards d'années. Cet arrêt brutal a coïncidé avec le pic de formation stellaire dans l'univers. À cette époque, la plupart des galaxies généraient encore des étoiles à un rythme environ 20 fois supérieur à celui actuel.

« Les sphéroïdes massives et passives renferment presque la moitié des étoiles conçues par l'univers au cours de son existence, indique Sandro Tacchella de l'école polytechnique de Zurich (Suisse) et auteur principal de cette étude publiée le 17 avril dans la revue ScienceNous ne pourrons nous targuer de comprendre l'évolution de l'univers vers son stade actuel que lorsque nous connaîtrons la dynamique de ces galaxies. »

Hubble et le VLT ont cartographié la distribution des jeunes et vieilles étoiles

Les observations ont porté sur un échantillon de 22 galaxies de masses différentes, datées d'une époque postérieure de quelque trois milliards d'années au Big Bang, soit il y a environ 10 milliards d'années. L'instrument Sinfoni (Spectrograph for INtegral Field Observations in the Near Infrared), qui équipe le VLT, a collecté la lumière en provenance de ces objets et précisément localisé les sites de formation de nouvelles étoiles. La collecte de mesures aussi précises sur des galaxies lointaines est rendue possible grâce au système d'optique adaptative qui permet de s'affranchir presque totalement des effets de turbulence produits par les fluctuations de l'atmosphère terrestre.

Les chercheurs ont également utilisé Hubble pour étudier ce même échantillon de galaxies. Parce qu'il se situe en orbite autour de la Terre, le fameux télescope spatial, qui fête ses 25 ans le 24 avril, peut produire des images totalement dénuées des effets de la distorsion atmosphérique et en acquérir dans d'autres domaines de longueur d'onde. Les images capturées dans le proche infrarouge avec la caméra WFC3 révèlent ainsi la distribution spatiale des étoiles les plus âgées au sein des galaxies donnant activement naissance à de nouvelles.

La formation d’étoiles au centre des galaxies cesse progressivement au profit de la périphérie. Les galaxies de l’univers jeune (quelque trois milliards d’années après le Big Bang) figurent sur la partie gauche. Les régions bleues sont celles de formation d’étoiles tandis que celles de couleur rouge n’abritent que de vieilles étoiles rougeoyantes. Ces zones « passives » sont totalement dépourvues de jeunes étoiles bleues en cours de formation. Les galaxies géantes de type sphéroïdal qui en résultent et qui peuplent l’univers local figurent sur la partie droite du diagramme. © Eso

« Le système d'optique adaptative qui équipe Sinfoni est capable de réduire considérablement les effets de l'atmosphère et de localiser les cocons d'étoiles avec une précision voisine de celle qui caractérise les distributions de masse stellaire repérées par Hubble. Cela est tout simplement prodigieux », commente Marcella Carollo de l'ETH de Zurich et coauteure de l'article.

Expliquer le déclin des sphéroïdes massives

Au vu des données nouvellement acquises, il apparaît que les galaxies les plus massives de l'échantillon ont continué de produire, à un rythme constant, des étoiles en leur périphérie. En leur centre toutefois, dans ce bulbe densément peuplé, la formation de nouvelles étoiles s'est déjà arrêtée.

« La preuve de la cessation progressive de la formation d'étoiles, depuis le centre vers la périphérie des galaxies massives, devrait éclairer les astronomes sur les processus sous-jacents impliqués, sujet dont ils débattent depuis fort longtemps », estime Alvio Renzini de l'observatoire de Padoue, institut national italien d'Astrophysique.

Une théorie prépondérante stipule que la matière première des étoiles se trouve dispersée par des torrents d'énergie libérés par un trou noir supermassif situé au cœur de la galaxie, à mesure que ce dernier engloutit la matière constituant son environnement proche. Une autre théorie envisage la possibilité que la galaxie ne soit plus alimentée en gaz « frais », la privant ainsi du carburant nécessaire à former de nouvelles étoiles et la transformant progressivement en une sphéroïde rouge et inerte.

« De nombreuses théories traitent des mécanismes physiques potentiellement impliqués dans le lent déclin des sphéroïdes massives », précise Natascha Förster Schreiber, de l'institut Max-Planck dédié à la physique extraterrestre, à Garching, en Allemagne, coauteure de l'étude. « La découverte de la cessation progressive de la formation stellaire du centre vers la périphérie constitue un progrès important dans notre compréhension de l'évolution de l'univers jusqu'à son stade actuel », conclut-elle.

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