La galaxie spirale NGC 2903, située à environ 30 millions d'années-lumière de la Terre dans la constellation du Lion, observée par le télescope spatial Hubble. © ESA, Hubble & Nasa, L. Ho et al

Sciences

Les galaxies en rotation seraient apparues plus tôt que prévu dans l'Univers

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De nouveaux résultats du programme Alpine montrent que des galaxies en forme de disques en rotation pourraient avoir existé en grand nombre dans l'Univers plus tôt que ce que l'on pensait jusqu'à présent.

Le programme Alpine, de son nom complet l'Alma Large Program to Investigate C+ at Early Times (littéralement le Grand programme d'Alma pour étudier le C+ dans les premiers temps), est la première étude multilongueurs d'onde des ultraviolets aux ondes radio de galaxies lointaines qui ont existé entre 1 et 1,5 milliard d'années après le Big Bang (décalage vers le rouge entre 4 et 6). Ce programme, qui implique des scientifiques du monde entier, utilise les données obtenues grâce à 70 heures d'observation du ciel avec l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma), au Chili, ainsi que des observations antérieures obtenues par divers autres télescopes, dont le Very Large Telescope aussi au Chili, l'observatoire W.-M.-Keck à Hawaï et les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer.

DC-818760, ensemble de trois galaxies probablement sur une trajectoire de collision. Comme toutes les galaxies du programme Alpine, il a été imagé par différents télescopes. Cette approche « multilongueurs d'onde » permet aux astronomes d'étudier en détail la structure de ces galaxies. Le télescope spatial Hubble, qui observe en lumière visible (représentée en bleu ici), révèle des régions de formation active d'étoiles non masquées par la poussière ; le télescope spatial Spitzer, qui observe en infrarouge (représenté en vert), montre l'emplacement d'étoiles plus anciennes qui sont utilisées pour mesurer la masse stellaire des galaxies ; et Alma, qui observe dans le domaine radio (représenté en rouge), trace le gaz et la poussière, ce qui permet de mesurer la formation d'étoiles cachée par la poussière. L'image du haut combine la lumière des trois télescopes. La carte des vitesses en bas montre le gaz dans les galaxies tournantes qui s'approche (en bleu) ou s'éloigne (en rouge) de nous. © Gareth Jones & Andreas Faisst (Alpine collaboration) ; Alma (ESO/NAOJ/NRAO); Nasa/STScI ; JPL-Caltech/IPA

L'étude du programme Alpine

Alpine utilise en particulier Alma pour observer la signature de l'ion C+, c'est-à-dire du carbone une fois ionisé, à une longueur d'onde de 158 micromètres, dans l'infrarouge lointain. En effet, lorsque la lumière ultraviolette des jeunes étoiles frappe des nuages de poussière, du C+ est produit. Lorsque les galaxies tournent sur elles-mêmes, les ions C+ présents dans le gaz de la galaxie tournent avec. En mesurant le décalage Doppler des raies d'émission de ces ions, il est alors possible de déterminer la rotation de ces galaxies. L'équipe du programme a ainsi étudié 118 galaxies lointaines, non seulement pour mesurer leur rotation, mais aussi pour en déterminer d'autres caractéristiques comme la densité de gaz et le nombre d'étoiles formées.

Des disques en rotation lointains

Le relevé a permis de révéler des galaxies déformées en rotation en train de fusionner, ainsi que des galaxies qui semblent avoir une forme spirale parfaitement lisse. Environ 15 pour cent des galaxies observées avaient une rotation douce et ordonnée, telle qu'attendue de galaxies spirales. Cependant, les auteurs notent que les galaxies pourraient ne pas être des galaxies spirales mais des disques en rotation avec des grumeaux. Des observations avec la prochaine génération de télescopes spatiaux permettront de déterminer la structure détaillée de ces galaxies.

Andreas Faisst, scientifique à l'Infrared Processing and Analysis Center (Ipac, un centre d'astronomie à Caltech) et un des chercheurs principaux d'Alpine, précise : « Nous trouvons des galaxies en rotation bien ordonnées à ce stade très précoce et assez turbulent de notre UniversCela signifie qu'elles ont dû se former par un processus en douceur de collecte de gaz et ne sont pas encore entrées en collision avec d'autres galaxies, comme d'autres galaxies l'ont fait. ».

Collage de 21 galaxies imagées par le programme Alpine. Les images sont basées sur la lumière émise par le C+. Ces données montrent la variété des différentes structures galactiques déjà en place moins de 1,5 milliard d'années après le Big Bang (notre univers a 13,8 milliards d'années). Certaines de ces images contiennent en fait des galaxies en train de fusionner : par exemple, dans la rangée du haut, le deuxième objet en partant de la gauche est en fait trois galaxies en train de fusionner. D'autres galaxies semblent être plus harmonieusement ordonnées et pourraient être des spirales : un exemple clair est la galaxie complètement à gauche dans la deuxième rangée. Notre galaxie, la Voie lactée, est montrée à l'échelle pour aider à visualiser la petite taille de ces jeunes galaxies. La barre en bas à droite correspond à 30 kiloparsecs, soit environ 100.000 années-lumière. © Michele Ginolfi (Alpine collaboration) ; Alma (ESO/NAOJ/NRAO) ; Nasa/JPL-Caltech/R. Hurt (Ipac)

En combinant les données d'Alma aux mesures d'autres télescopes, dont le télescope Spitzer récemment mis hors service, qui ont spécifiquement aidé à mesurer la masse des galaxies, les scientifiques sont mieux en mesure d'étudier comment ces jeunes galaxies évoluent au fil du temps. « Comment les galaxies font-elles pour grossir autant et si rapidement ? Quels sont les processus internes qui les laissent grossir si rapidement ? Ce sont des questions auxquelles Alpine aide à répondre », explique Faisst. « Et avec le lancement prochain du télescope spatial James-Webb de la Nasa [et ESA et ASC], nous pourrons suivre les galaxies pour en apprendre encore plus. »

  • Le programme Alpine étudie, en combinant les données d'Alma et de divers autres télescopes au sol et dans l'espace, des galaxies lointaines qui ont existé entre 1 et 1,5 milliard d'années après le Big Bang.
  • Les observations du programme ont permis de révéler des galaxies déformées en train de fusionner, mais aussi des galaxies en forme de disques en rotation, lesquelles pourraient avoir existé en grand nombre dans l'Univers plus tôt que ce qu'on pensait jusqu'alors.
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