Sur cette image prise par Hubble, on voit NGC 2903, une galaxie spirale barrée située dans la constellation du Lion à environ 25 millions d'années-lumière de la Voie lactée. © Nasa, ESA
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Découverte de la plus ancienne galaxie spirale connue

ActualitéClassé sous :Hubble , Galaxie , BRI 1335-0417

[EN VIDÉO] La radioastronomie surprend des galaxies lointaines en train de donner naissance à des étoiles  Grâce à l’International Low Frequency Array (LOFAR), un large réseau de 70.000 radiotélescopes répartis sur l’Europe, les astronomes ont obtenu des images époustouflantes de la jeunesse de notre Univers. Des dizaines de milliers de galaxies capturées au moment où elles formaient des étoiles. Cette vidéo propose de survoler une partie du ciel étudié. © Jurgen de Jong, Université de Leiden 

Pour mieux comprendre l'origine des galaxies, les cosmologistes et les astrophysiciens repoussent sans cesse les limites de leurs instruments. L'un des derniers en date, Alma, leur a permis de débusquer une galaxie spirale déjà bien développée alors que le cosmos observable n'avait que 1,4 milliard d'années.

On doit à Edwin Hubble une classification des galaxies qu'il a proposée et développée avant la seconde guerre mondiale. Elle comporte trois grands types. Il y a les spirales, contenant d'importantes quantités de gaz et de poussières, avec un disque où l'on trouve de jeunes étoiles et un bulbe plus ou moins important contenant des vieilles étoiles. Viennent ensuite les elliptiques, principalement constituées de vieilles étoiles et pauvres en gaz et poussières, qui ont une structure sphéroïdale. Et enfin les irrégulières, de plus petite taille et riches en jeunes étoiles.

Hubble avait aussi proposé une séquence d'évolution reliant ces galaxies qui aujourd'hui n'est plus acceptée. Le modèle simple qu'il avait avancé pour expliquer la naissance des galaxies et leur structure en disque et que l'on peut, par exemple, retrouver présenté dans le célèbre cours de l’Université de Berkeley sur la mécanique a gardé toutefois une certaine pertinence.

Simulation par supercalculateur datant de 2007 de la formation de galaxies spirales. Sur une période d'environ 13,5 milliards d'années, les petites galaxies fusionnent les unes après les autres en une seule galaxie spirale géante. © Takaaki Takeda, Sorahiko Nukatani, Takayuki Saito, 4D2U Project, NAOJ

Bien sûr, de nos jours, nous avons des modèles beaucoup plus sophistiqués de la naissance des galaxies (proposés et développés par exemple par le prix Nobel de physique James Peebles), notamment parce que nous disposons d'un océan de données observationnelles dont Hubble et ses contemporains ne disposaient pas et qu'il nous est possible de les traiter avec des ordinateurs ou simplement des simulateurs autrement plus puissants que de son temps également.

Reste qu'il existe encore des énigmes concernant la naissance et l'évolution des galaxies, même si des perspectives nouvelles ont émergé depuis une décennie au point de constituer le paradigme dominant de nos jours, comme l’a expliqué à Futura le cosmologiste Romain Teyssier.

Le cosmos observable il y a 12,4 milliards d'années

Pour résoudre ces énigmes, on cherche donc à observer le tout début de la formation des galaxies et donc à remonter de plus en plus loin dans le passé à l'aide d'observations. L'une des dernières en date n'est autre qu'un record de distance pour une galaxie spirale cataloguée sous le nom de BRI 1335-0417.

C'est une équipe d'astrophysiciens japonais qui a récemment annoncé sa découverte via notamment un article dans Science et qui explique que la galaxie a été découverte grâce à l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma). Le réseau de radiotélescopes a capté des photons provenant de BRI 1335-0417 qui ont été émis alors que le cosmos observable n'était âgé que de 1,4 milliard d'années, il y a donc 12,4 milliards d'années, ce qui bat le précédent record dont Futura avait parlé dans le précédent article ci-dessous.

Voici en fausses couleurs une image d'Alma de la galaxie BRI 1335-0417 il y a 12,4 milliards d'années. Alma a détecté les émissions d'ions carbone dans la galaxie. Les bras en spirale sont visibles des deux côtés de la zone compacte et lumineuse au centre de la galaxie. Le décalage vers le rouge de cet objet est z = 4,41. C'est en utilisant les paramètres cosmologiques mesurés avec le satellite Planck (H0 = 67,3 km / s / Mpc, Ωm = 0,315, Λ = 0,685: Résultats Planck 2013) que nous pouvons calculer sa distance. © Alma (ESO/NAOJ/NRAO), T. Tsukui & S. Iguchi

La taille de BRI 1335-0417 est intrigante, elle est déjà d'au moins 30.000 années-lumière de diamètre, soit un tiers de celle notre Galaxie qui est aussi une spirale. On peut suspecter qu'elle est encore plus grande et que nous n'avons pas encore la puissance pour observer ses bords externes car la formation stellaire y serait moins importante, ce qui les rendrait moins lumineux. Les chercheurs estiment toutefois que la jeune galaxie était déjà presque aussi massive que la Voie lactée.

De nouveau, on est confronté au problème de la croissance rapide des galaxies, ce qui a des implications sur les modèles qui peuvent en rendre compte. On sait notamment que le modèle avec des filaments de matière noire froide canalisant des courants d'hydrogène et d'hélium produit par le Big Bang permet justement de faire croître plus vite des galaxies que si l'on suppose que leur croissance se produit à l'occasion de fusion entre des galaxies naines, donnant des galaxies plus massives qui vont accréter à leur tour des galaxies naines et parfois entrer en collision avec d'autres galaxies géantes.

Ce qui est sûr, c'est que BRI 1335-0417 forme activement des étoiles et contient d'importantes quantités de poussières. Mais se pose alors le problème de savoir ce qu'elle est devenue de nos jours. Si les galaxies spirales sont des objets fondamentaux dans l'Univers, représentant jusqu'à 70 % du nombre total de galaxies, on pense toujours qu’à la suite de collisions elles deviennent des galaxies elliptiques pauvres en gaz et en poussières, ce qui stoppe la formation de nouvelles étoiles.

 

  • Des télescopes, comme Hubble, ont montré que les galaxies spirales étaient de plus en plus rares en remontant dans le passé mais que le nombre de galaxies irrégulières de petite taille augmentait. Ces observations s'expliquent en postulant que les premières galaxies étaient naines et qu'elles entraient fréquemment en collision en fusionnant.
  • Beaucoup plus régulières, les galaxies spirales seraient en partie au moins le produit de ces fusions, mais, pour comprendre vraiment comment s'est effectué le passage de la première étape à la suivante, les astronomes cherchent à observer les galaxies spirales les plus jeunes.
  • Le record vient d'être battu par une galaxie spirale vue comme elle était il y a 12,4 milliards d'années.
Pour en savoir plus

La plus ancienne galaxie spirale jamais découverte

Article de Laurent Sacco publié le 08/11/2017

La plus ancienne galaxie spirale connue à ce jour a été débusquée à l'aide d'une lentille gravitationnelle. Les astronomes l'ont vue telle qu'elle était il y a... 11 milliards d'années ! Son étude devrait aider à comprendre comment sont nées les galaxies, à partir notamment de fusions chaotiques de galaxies naines.

Les cosmologistes et les astrophysiciens continuent d'explorer le monde des nébuleuses, ouvert il y a presque un siècle par Edwin Hubble. Il ne s'agit pas simplement d'une question de géographie, mais aussi d'histoire, de notre histoire, puisque le Soleil est membre d'une de ces nébuleuses, une galaxie spirale barrée connue de l'humanité sous le nom de Voie lactée. La cosmogonie est donc une branche de la généalogie de l'Homme. C'est pour cela que ce dernier cherche à comprendre d'où viennent les galaxies, en particulier les galaxies spirales, qui constituent presque les deux tiers des galaxies dans l'univers actuel.

Celles-ci ont évolué durant des milliards d'années et, comme toutes leurs cousines, elles sont considérées comme un gaz autogravitant d'étoiles. Toutefois, il ne s'agit pas exactement d'un gaz. En effet, les forces entre étoiles sont de longue portée et décroissent lentement avec la distance, ce qui n'est pas le cas dans un vrai gaz. De plus, dans ce dernier, l'effet des collisions entre les molécules et les atomes est en général important. En fait, le fluide d'étoiles des galaxies se comporte plutôt comme un plasma, tel celui qui devrait être produit dans Iter. En termes techniques, sa description fait appel à l'équation de Vlasov plutôt qu'à celle de Boltzmann, comme le rappelle André Brahic dans ses leçons d'astronomie.

Une vue d'artiste d'un amas de galaxies à l'origine d'un effet de lentille gravitationnelle révélant au regard du télescope Gemini Nord la plus ancienne galaxie spirale connue à ce jour. © James Josephides

La genèse des galaxies spirales

Les observations et cette équation, que la gravitation gouverne, nous permettent de construire un scénario dans lequel de petites galaxies naines sont nées quelques centaines de millions d'années après le Big Bang et sont ensuite entrées en collision pour, parfois, fusionner en donnant des galaxies de plus en plus grosses, qui ont absorbé à leur tour d'autres galaxies naines.

Les premières galaxies sont souvent d'aspect irrégulier quand elles sont observées et des flambées d'étoiles en formation y sont monnaie courante. Les chercheurs ont été surpris de voir que des grandes galaxies spirales, qui croissent aussi en accrétant du gaz provenant de gigantesques courants d'hydrogène et d'hélium froid, se soient formées très rapidement. Ils cherchent à en comprendre les raisons en profondeur, notamment en poussant les instruments à leurs limites, pour voir toujours plus loin, et donc toujours plus tôt. L'objectif est de comprendre les processus qui font passer des petites galaxies chaotiques et turbulentes en collision aux disques calmes et majestueux telles la galaxie d'Andromède ou la galaxie du Moulinet.

Une présentation des télescopes Gemini. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Gemini Observatory

A1689B11, une galaxie sujette à un effet de lentille gravitationnelle

Une équipe internationale d'astronomes vient justement d'annoncer via un article sur arXiv qu'elle avait découvert la galaxie spirale la plus ancienne connue à ce jour, observée telle qu'elle était il y a 11 milliards d'années. Pour accomplir cet exploit, il a fallu utiliser le Near-Infrared Integral Field Spectrograph équipant le télescope Gemini Nord, à Hawaï.

Mais l'observation de A1689B11 n'aurait pas été possible sans un coup de pouce de la nature. La galaxie spirale est en effet sujette à un effet de lentille gravitationnelle produit par un amas de galaxies qui s'interpose entre A1689B11 et la Voie lactée. C'est cet effet de grossissement qui a permis d'observer la jeune spirale alors que l'univers observable avait environ 2,7 milliards d'années et qu'elle formait des étoiles 20 fois plus rapidement que les galaxies spirales les plus proches de nous observées actuellement.

On devrait en apprendre bien plus sur l'origine et l'évolution des galaxies dans quelques années grâce au lancement du télescope spatial James Webb.


BX442, la grande galaxie spirale qui ne devrait pas exister

Article de Laurent Sacco publié le 25/07/2012

Une grande galaxie spirale observée par les télescopes Hubble et Keck rend quelque peu perplexes les astrophysiciens. Âgée de presque 11 milliards d'années, une telle galaxie ne devrait être apparue que des milliards d'années plus tard dans l'histoire du cosmos observable. Visiblement, il nous manque encore des pièces du puzzle de la formation et de l'évolution des galaxies.

Un groupe d'astrophysiciens vient de publier dans Nature un article sur la découverte par Hubble de la galaxie BX442. C'est une grande galaxie spirale, comme il en existe de nos jours tout autour de la Voie lactée. La plus célèbre, outre notre Galaxie qui est aussi une spirale, est sans aucun doute celle d'Andromède. De prime abord, BX442 ne semble rien avoir de particulier. Elle n'est pas même la galaxie la plus lointaine connue, dont le record de distance semble être détenu, jusqu'à présent, par SXDF-NB1006-2.

Il est représenté ici une vraie image de la grande galaxie spirale BX442 telle qu'elle était il y a 10,7 milliards d'années. Elle a été composée à partir d'observations faites par Hubble et le télescope Keck à Hawaï. © David Law, Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics

Alors, pourquoi la découverte de cette grande galaxie spirale fait-elle parler d'elle ? Pour le comprendre, il faut savoir que d'après la théorie de la matière noire froide, les galaxies sont les premières structures apparues dans l'univers. Naines pour la plupart, elles ont ensuite fusionné et se sont assemblé pour constituer des amas de galaxies, lesquels se sont regroupés, aboutissant à la structure filamenteuse ponctuée de vides immenses que l'on observe actuellement.

Les simulations basées sur ce scénario, comme Deus qui fait intervenir l'énergie noire, fonctionnent remarquablement bien, même s'il reste encore quelques désaccords avec les observations. En particulier, on ne comprend pas toujours comment de grandes galaxies ont pu se former très tôt dans l'histoire du cosmos, même si des explications sont plausibles, comme la théorie des courants froids.

La découverte de BX442 entre précisément dans ce cas de figure. Au départ, les astronomes avaient débusqué cette galaxie spirale dans un échantillon de 300 galaxies très lointaines présentes sur des images prises par Hubble. Les mesures indiquaient que l'on voyait BX442 telle qu'elle était voici environ 10,7 milliards d'années.

Il n'est pas question ici d'image réelle de la galaxie spirale BX442. En effet, l'image brute, reconstruite à partir des observations d'Hubble et du Keck, est plus grossière. Mais elle a permis à un artiste de reconstituer ce que l'on verrait probablement si l'on était beaucoup plus proche de cet astre. © Joe Bergeron, Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics

BX442, une vraie galaxie spirale en rotation

Or, d'après la théorie et les observations faites jusqu'à présent, il ne s'est pas encore écoulé suffisamment de temps à cette époque pour que l'immense majorité de l'univers observable, né il y a 13,7 milliards d'années, ne soit pas constituée essentiellement de petites galaxies irrégulières, croissant par des captures successives de galaxies naines. De grandes galaxies, et encore plus avec des structures régulières, comme celles des spirales et elliptiques qui sont communes depuis quelques milliards d'années dans l'univers observable, devaient être rares.

BX442 dérange donc clairement les modèles en vigueur. Tellement, d'ailleurs, que les astrophysiciens ont tout de suite pensé à une illusion d'optique causée par deux images d'objets galactiques superposés. Étant donnée la distance, les observations ne montrent pas une image aussi nette que celles des somptueuses galaxies observées par Hubble, que l'on est habitué à voir.

Pour en avoir le cœur net, les astrophysiciens ont entrepris d'utiliser les instruments plus performants du télescope Keck au sol, pour les mesures spectroscopiques. Ces mesures sont essentielles pour affiner les distances et les vitesses de rotation des étoiles présentes dans une galaxie. Avec le spectrographe Osiris, les chercheurs ont étudié les spectres de 3.600 régions des images associées à BX442.

Il a fallu se rendre à l'évidence. Ils étaient bien en présence d'une seule grande galaxie spirale en rotation, déjà bien formée et massive tôt dans l'histoire du cosmos observable. Elle reste quand même une exception, ce qui veut dire qu'elle ne remet nullement en cause l'âge de l'univers et encore moins la théorie du Big Bang.

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