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La naissance de la Voie lactée ressemblait peut-être à Himiko

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Résolu par l'œil de Hubble, le mystérieux nuage de gaz baptisé Himiko se révèle être trois galaxies naines en interaction environ 800 millions d'années après le Big Bang. Étonnamment pauvre en éléments lourds, il pourrait s'agir de la première galaxie géante primordiale en train de naître observée. Si tel est le cas, notre Voie lactée est peut-être née de cette façon.

Cet assemblage de photos montre à gauche un champ d’observation pris par le télescope Hubble. On a indiqué dans un carré la position d’une bulle géante de gaz primordial baptisée Himiko. En haut à droite, les images prises par Hubble montrent que Himiko contient trois petites galaxies en interaction. L’image en bas à droite est une combinaison d’observations réalisées dans l’infrarouge à l’aide des télescopes Hubble, Subaru et Spitzer. Les mesures de Hubble sont en vert, tandis que celles de Subaru et Spitzer sont respectivement en bleu et en rouge. © Nasa, Esa, Eso, NRAO, NAOJ, JAO

En 2009, une équipe internationale d'astronomes annonçait la découverte d'un étrange objet. Il avait été observé dans le domaine de l'infrarouge par les télescopes doués d'optique adaptative Keck et Subaru à Hawaï. Les chercheurs étaient perplexes, car le rayonnement observé portait la signature spectrale d'une raie particulière de l'hydrogène, la raie Lyman-alpha. En laboratoire, on l'observe sur Terre dans le domaine de l'ultraviolet, ce qui veut dire que la lumière en provenance de l'objet, baptisé Himiko du nom d'une mythique reine chamane japonaise, avait subi un fort décalage vers le rouge.

Celui-ci indiquait qu'Himiko était observé alors que l'univers n'était âgé que de 800 millions d'années environ. Or, avec une taille estimée à 55.000 années-lumière, Himiko entrait en conflit avec le modèle de la matière noire froide (ou pour le moins les modèles de formation des galaxies) si on cherchait à l'interpréter comme une seule galaxie, ce que suggérait des observations faites avec le télescope Spitzer.

Himiko et la naissance des galaxies

En effet, le modèle cosmologique standard prévoit que les grandes galaxies se forment par fusion à partir de galaxies naines. On avait donc bien du mal à expliquer comment un objet presque aussi grand que la moitié de la Voie lactée pouvait déjà exister si tôt dans l'histoire de l'univers observable, dont l'âge estimé à l'époque était de 13,7 milliards d'années. On sait aujourd'hui, grâce aux observations de Planck, que le cosmos est un peu plus âgé, avec 13,82 milliards d'années. Mais le problème que posait Himiko vient tout simplement de disparaître, si l'on en croit un article déposé sur arxiv par les astrophysiciens.

Les trois galaxies en interaction sont bien visibles sur cette photographie prise à l'aide de la Wide Field Camera 3 de Hubble. Décalées par l'expansion de l'univers, les émissions dans l'ultraviolet de Himiko apparaissent dans l'infrarouge. Les bandes d'observation à 0,98, 1,25 et 1,6 micron sont représentées respectivement par les couleurs bleue, verte et rouge. © Nasa, NAOJ

Les chercheurs ont poursuivi leurs investigations en utilisant les observations fournies par le télescope de l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma), Spitzer et surtout le télescope spatial Hubble. Ce qui apparaissait comme une unique bulle de gaz chaud et ionisé, dix fois plus grande que la taille typique des galaxies à l'époque de la fin de la réionisation, se révèle maintenant constitué de trois concentrations de matière plongées dans cette bulle. Clairement, les images prises par Hubble montrent que l'on est en présence d'une triple collision de galaxies naines voilà environ 13 milliards d'années.

Ce genre d'événement est rare, mais s'accompagne visiblement d'une intense activité de formation d'étoiles dans chacune de ces galaxies. Elles apparaissent donc particulièrement brillantes. Le processus s'accompagne du chauffage et de l'ionisation du nuage de gaz associé aux galaxies du fait de l'existence d'un grand nombre de jeunes étoiles chaudes.

Himiko, un nuage de gaz primordial ?

Toutefois, les données fournies par Alma intriguent les astrophysiciens. Ces jeunes étoiles sont massives et vivent quelques millions d'années tout au plus avant de se transformer en supernova SN II. Des réactions de nucléosynthèse stellaire ayant eu le temps de produire des noyaux lourds à l'intérieur de ces étoiles, on devrait donc s'attendre à les détecter dans le gaz interstellaire. En effet, ces noyaux sont éjectés et diffusés dans le milieu interstellaire par l'explosion des étoiles. Alma devait notamment détecter les émissions radio des poussières carbonées chauffées par le rayonnement UV des jeunes étoiles. Aucune trace des noyaux de carbone n'a été trouvée.

On ne sait pas encore très bien comment interpréter ce fait, mais il apparaît déjà une hypothèse fascinante. Himiko serait constitué très majoritairement de gaz primordial, donc essentiellement de l'hydrogène et de l'hélium avec aucune trace ou presque d'éléments lourds comme l'oxygène, le néon, le carbone ou le fer. On observerait donc pour la première fois une grande galaxie primordiale en formation, avec le début du processus conduisant à la fusion des trois galaxies. Si tel est bien le cas, Himiko nous permettrait de contempler ce à quoi devait ressembler l'événement cosmique à l'origine de notre propre Galaxie, et donc l'une des étapes importantes ayant mené du Big Bang au vivant.

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