Cette image composite de l’amas de galaxies MACSJ 0138 montre les données du télescope spatial Hubble (Nasa) et du Grand réseau d’antennes millimétrique/submillimétrique de l’Atacama (Alma, Chili) telles qu’observées par les astronomes. Six galaxies massives anciennes s’avèrent avoir manqué d’hydrogène froid, le carburant nécessaire à la formation des étoiles. © LMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Dagnello (NRAO), STScI, K. Whitaker et al
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Les premières galaxies massives ont brutalement arrêté de produire des étoiles

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[EN VIDÉO] Kézako : quelle est la différence entre planète, galaxie et étoile ?  Coincé sur Terre, le commun des mortels ne peut voir la Planète bleue dans son ensemble qu’en photo, sans parler du Soleil et des autres planètes. Les étoiles et les galaxies au-delà sont encore plus difficiles à imaginer... Unisciel et l’université de Lille 1 nous proposent de prendre un peu de recul dans cet épisode de Kézako. 

Elles ont brûlé par les deux bouts les chandelles de leur vie puis sont « mortes » jeunes. Ce sont six galaxies anciennes et massives que des astronomes décrivent aujourd'hui. Elles ont d'abord formé beaucoup d'étoiles en peu de temps. Puis, elles ont manqué de carburant. Et ont été contraintes de tourner à vide.

Aujourd'hui encore, notre Univers fabrique des étoiles au quotidien. Mais alors qu'il n'était âgé que de trois milliards d'années -- l'équivalent de 20 % de son âge actuel --, il a connu la période la plus prolifique en la matière de toute son histoire. Pourtant, en tournant le télescope spatial Hubble (Nasa) et Alma, le Grand réseau d'antennes millimétrique/submillimétrique de l'Atacama, vers des objets datant de cette époque, les chercheurs viennent de faire une étonnante découverte. Six galaxies massives qui ont, semble-t-il, manqué de l'hydrogène nécessaire à la fabrication d'étoiles.

« Nous pensions qu'à cette époque, toutes les galaxies formaient beaucoup d'étoiles. Et que les galaxies anciennes les plus massives de l'Univers avaient été amenées à ralentir le rythme auquel elles formaient des étoiles quelques milliards d'années seulement après le Big Bang. Mais nos travaux montrent qu'en réalité, ces galaxies n'ont pas réellement ralenti de rythme. Elles fonctionnaient littéralement à vide », raconte Kate Whitaker, astronome à l'université du Massachusetts (États-Unis), dans un communiqué.

C'est une combinaison de techniques d'observation qui a permis aux chercheurs de faire la découverte. Avec le télescope spatial Hubble, ils ont pu localiser les étoiles dans les galaxies et ainsi, les lieux de formation d’étoile anciens. Avec Alma, ils ont pu détecter les traces d'hydrogène froid qui indiquent où les étoiles pourraient encore se former à l'avenir. Grâce enfin à un effet de lentille gravitationnelle produit par des amas de galaxies massifs en premier plan et offrant une lumière amplifiée dans toutes les longueurs d'onde et une résolution spatiale inégalée, ils ont pu étudier les détails de ces six mystérieuses galaxies.

Des galaxies en manque d’hydrogène

« Les galaxies qui ne fabriquent pas beaucoup d'étoiles s'éteignent assez rapidement et elles deviennent difficiles à observer pour nous. L'effet de lentille gravitationnelle nous permet de les étudier malgré tout », précise Justin Spilker, chercheur à l'université du Texas (États-Unis). Et de comprendre que ces six galaxies n'ont pas arrêté de former des étoiles suite à une soudaine inefficacité dans la conversion de l'hydrogène. Mais plutôt à cause d'un épuisement des réservoirs de gaz froid.

Ici, deux des six galaxies anciennes et massives dans lesquelles la formation d’étoiles a cessé en raison d’un épuisement en hydrogène. En jaune, la lumière des étoiles. En rose, les poussières froides détectées par Alma. En haut, les astronomes les localisent dans une galaxie se situant à gauche de la galaxie cible. En bas, uniquement au centre de la galaxie qui les intéresse. © K. Whitaker, Nasa, ESA

Comment ? Les astronomes l'ignorent encore. Peut-être à cause de l'énergie injectée par des trous noirs supermassifs et qui a réchauffé tout le gaz contenu dans ces galaxies. Peut-être aussi parce que l'approvisionnement en gaz froid de ces galaxies a soudain été coupé. Mais quoi qu'il en soit, ces six galaxies semblent bien incapables de remplir leur réservoir en carburant et donc incapables de relancer le moteur de la fabrication d'étoiles.

Encore beaucoup à apprendre…

« Nous avons encore beaucoup à apprendre sur les raisons pour lesquelles les galaxies les plus massives se sont formées si tôt dans l'Univers et pourquoi elles ont arrêté leur formation d'étoiles alors qu'elles disposaient a priori d'autant de gaz froid, explique Kate Whitaker. Le simple fait que ces énormes bêtes du cosmos aient formé 100 milliards d'étoiles en un milliard d'années seulement puis aient arrêté soudainement leur formation d'étoiles est un mystère que nous aimerions tous résoudre et nous tenons là le premier indice ».

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