Vue d’artiste d’une galaxie distante, riche en poussières et en rotation. La couleur rouge représente le gaz, le bleu et le brun la poussière telle qu’observée en ondes radio avec Alma. De nombreuses autres galaxies sont visibles en arrière-plan, d'après les données optiques du VLT et de Subaru. © CNRS, B. Saxton NRAO/AUI/NSF, ESO, NASA/STScI; NAOJ/Subaru
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L'Univers jeune a formé des galaxies étonnamment matures

ActualitéClassé sous :Galaxie , Univers lointain , observation de galaxie

Des instruments comme Alma nous rapprochent sans cesse plus de l'aube de la formation des galaxies. Les résultats récents de la collaboration derrière le programme d'observation baptisé Alpine montrent à nouveau que les galaxies ont évolué étonnamment vite moins de 1,5 milliard d'années après le Big Bang.

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Comment sont nées et ont ensuite évolué les galaxies ? C'est un des problèmes au cœur de la cosmologie et il a des implications sur l'évolution de la matière du Big Bang au vivant car c'est dans les galaxies que les étoiles naissent et produisent les noyaux lourds qui formeront ensuite des planètes rocheuses, et bien sûr les cellules vivantes sur Terre. Comprendre nos origines suppose donc aussi de comprendre les galaxies, et leur étude est une partie importante de l'œuvre de plusieurs chercheurs comme le Prix Nobel de physique 2019, James Peebles, ou l'astrophysicienne française Françoise Combes, professeure au Collège de France depuis 2014.

Parmi les programmes d'études des galaxies primordiales peu après le Big Bang il y a l'Alma Large Program to Investigate Cat Early Times (en français, le Grand programme d'Alma pour étudier le C+ dans les premiers temps), dont Futura vous avait parlé à l'occasion du précédent article ci-dessous. Il expliquait qu'Alpine était 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. Comme son nom l'indique, parmi les instruments mobilisés pour l'accomplir il y a en premier lieu l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma), le célèbre réseau de radiotélescopes de l'observatoire du Llano de Chajnantor situé dans le désert d'Atacama, au Chili. Mais des données importantes et complémentaires sont utilisées, collectées avec le Very Large Telescope (VLT), l'observatoire Keck à Hawaï et les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer.

Les astronomes de la collaboration internationale Alpine, parmi lesquels on trouve des membres du CNRS et d'Aix-Marseille Université, viennent de publier dans la célèbre revue Astronomy & Astrophysics toute une série d'articles sur leurs derniers travaux, que l'on peut consulter en accès libre sur arXiv.

Des galaxies évoluées déjà riches en poussière

Les galaxies étudiées le sont donc quand le cosmos observable était âgé d'environ 1 à 1,5 milliard d'années et si ce ne sont pas les plus lointains astres de ce type observés, c'est la première fois qu'un si grand nombre de galaxies est étudié de manière systématique, comme l'explique un communiqué du CNRS. Il s'agit en effet de pas moins de 118 galaxies massives qui ont fait l'objet d'une collecte de données qui a duré environ 70 heures au total avec Alma.

Mosaïque montrant une partie des galaxies observées avec Alma. Les régions en jaune intense sont celles qui forment le plus d’étoiles (c’est la raie du carbone ionisé, C+, qui permet de tracer la formation d’étoiles enfouies dans la poussière). La deuxième source, en haut à gauche, est une triple fusion. © Michele Ginolfi, collaboration Alpine

Observant dans un domaine de longueur d'onde entre l'infrarouge et les ondes radio, Alma permet d'évaluer les quantités de poussière présentes dans ces galaxies et elles se sont révélées étonnamment élevées. Or, on sait qu'il faut des étoiles ayant été jusqu'au bout de leur évolution sur la séquence principale pour produire ces poussières, ce qui veut dire qu'une première génération d'étoiles a évolué particulièrement vite pour synthétiser ces poussières en fin de vie.

On retrouve la problématique d'une évolution plus rapide des galaxies que ne le laissait prévoir l'ancien paradigme les concernant et qui avait du mal à rendre compte de la présence tôt dans l'histoire de l'Univers observable de grandes galaxies, déjà riches en éléments lourds comme le carbone, l'oxygène, le silicium ou le fer et le magnésium.

On sait que depuis une décennie environ, l'ancien paradigme a été progressivement remplacé par celui des courants froids, faisant intervenir des filaments de matière baryonique froide canalisés par des filaments de matière noire et qui alimentent donc aussi bien la formation stellaire des grandes galaxies précocement que la croissance de leurs trous noirs supermassifscomme l’avait expliqué à Futura le cosmologiste Romain Teyssier.

Or, justement, les données d'Alpine montrent également que les galaxies étudiées se sont révélées très riches en gaz froid.

Alma a également révélé que les galaxies étudiées présentent une grande diversité de formes et certaines possédaient déjà un disque en rotation pouvant conduire plus tard à une structure en spirale comme dans la Voie lactée. On en observe bien sûr, comme dans le cas des données qui avaient conduit à l'adoption du précédent paradigme pour l'évolution et la croissance des galaxies, certaines en train de fusionner.

Alpine et Olivier Le Fèvre

Curieusement, Alpine a débusqué aussi des galaxies qui éjectent du gaz, formant autour d'elles de mystérieux halos, comme l'annonce toujours le communiqué du CNRS, ce qui veut dire que le monde des nébuleuses cher à Edwin Hubble nous réserve encore des surprises.

Olivier Le Fèvre est décédé le 25 juin 2020 à l’âge de 59 ans. Olivier combattait avec courage et lucidité une tumeur au cerveau depuis 2 ans et demi. Olivier Le Fèvre a été un pionnier et promoteur passionné de la spectroscopie multi-objets au sol et dans l’espace et un des pères fondateurs de la cosmologie observationnelle à partir des grands relevés de galaxies. © LAM - Laboratoire d’Astrophysique de Marseille

Le communiqué du CNRS avec la liste des nouveaux articles publiés par la collaboration Alpine est aussi l'occasion de rendre hommage à l'un de ses précédents membres, Olivier Le Fèvre, décédé le 25 juin dernier à l'âge de 59 ans. L'un des piliers de l'astronomie française, Olivier Le Fèvre était également l'un des pionniers des grands relevés extragalactiques pour la cosmologie et il avait dirigé le Laboratoire d'Astrophysique de Marseille, le LAM. Il avait rédigé pour Futura un dossier sur les galaxies.

Futura se joint à l'hommage fait à Olivier Le Fèvre, tout comme le communiqué du CNRS en relayant les liens aux huit articles dans Astronomy & Astrophysics du 27 octobre 2020.

  • Olivier Le Fèvre et al. - The ALPINE-ALMA [CII] survey. Survey strategy, observations, and sample properties of 118 star-forming galaxies at 4<z<6, https://arxiv.org/abs/1910.09517
  • Matthieu Béthermin et al. - The ALPINE-ALMA [CII] survey. Data processing, catalogs, and statistical source properties, https://arxiv.org/abs/2002.00962
  • Daniel Schaerer et al. - The ALPINE-ALMA [Cii] survey. Little to no evolution in the [C ii]-SFR relation over the last 13 Gyr, https://arxiv.org/abs/2004.10760
  • Yoshinobu Fudamoto  et al. - The ALPINE-ALMA [CII] Survey: Dust attenuation properties and obscured star-formation at z~4.4-5.8, https://arxiv.org/abs/2004.10760
  • Miroslava Dessauges-Zavadsky et al. - The ALPINE-ALMA [CII] survey. Molecular gas budget in the early Universe as traced by [CII], https://arxiv.org/abs/2004.10771
  • Paolo Cassata et al. - The ALPINE-ALMA [CII] survey. Small Lyalpha-[CII] velocity offsets in main-sequence galaxies at 4.4<z<6, https://arxiv.org/abs/2002.00967
  • Michele Ginolfi  et al. - The ALPINE-ALMA [CII] Survey: CGM pollution and gas mixing by tidal stripping in a merging system at z~4.57, https://arxiv.org/abs/2004.13737
  • Carlotta Gruppioni et al. - The ALPINE-ALMA [CII] Survey: nature, luminosity function, and star formation history of continuum non-target galaxies up to z~6, https://arxiv.org/abs/2006.04974
  • 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'à présent.
  • Les données d'Alma montrent aussi que lorsque l’Univers n’avait qu’un dixième de son âge actuel, ses galaxies ont connu une poussée de croissance et qu'au début de leur vie elles étaient bien plus évoluées qu’attendu.
Pour en savoir plus

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

Article de Adrien Coffinet

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/IPAL'étude du programme AlpineAlpine 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 lointainsLe 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 Univers. Cela 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. »
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