Une galaxie à disque en rotation particulièrement massive a été identifiée au plus profond de l’Univers grâce à la puissance inégalée du radiotélescope géant ALMA. Une découverte qui pourrait remettre profondément en question notre compréhension des galaxies.

Des implications majeures pour notre compréhension des galaxies

Dans le cadre de travaux présentés dans la revue Nature, une équipe de chercheurs menée par Marcel Neeleman a récemment identifié une galaxie à disque s’étant formée 1,5 milliard d’années après le Big Bang, soit bien plus tôt que ne le prévoit notre compréhension actuelle de la formation de ces objets célestes. Le fait que DLA0817g ait pu se former si précocement dans l’histoire de l’Univers suggère que les modèles traditionnels de formation des galaxies, voulant que celles-ci se soient structurées hiérarchiquement tard dans l’histoire du cosmos, soient possiblement erronés.

Réalisée grâce à l’ALMA, télescope de pointe situé à 5000 mètres d’altitude au nord du Chili, cette récente découverte pourrait par conséquent aider les scientifiques à répondre à l’une des questions les plus profondes de la cosmologie. À savoir : comment l’Univers est-il passé d’un état informe et désordonné à ses débuts au réseau complexe et structuré d’étoiles et de galaxies qui nous entoure aujourd’hui.

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En plus d’être de loin la plus ancienne galaxie à disque de ce type jamais observée, celle-ci se trouve également être la plus lointaine. Si lointaine que les scientifiques estiment que l’objet céleste se serait formé alors que l’Univers n’avait que 10 % de son âge actuel, estimé à 13,8 milliards d’années. Surnommée le « disque de Wolfe » en hommage au défunt astronome Arthur M. Wolfe, DLA081g tourne à 272 kilomètres par seconde (une vitesse similaire à celle de la Voie lactée) et possède une masse 72 milliards de fois supérieure à celle du Soleil.

Notre compréhension actuelle des galaxies suggère que des « halos » de matière noire se développent dans un premier temps, puis attirent le gaz environnant avec lequel ils fusionnent pour générer des structures plus grandes à partir desquelles les étoiles se forment. Ce qui conduit, avec le temps, à la croissance des galaxies.

Aperçu des antennes de l’ALMA – © ESO / C. Malin / Wikipedia

« Nous pensons que le disque de Wolfe s’est développé principalement grâce à l’accrétion constante de gaz froid »

Un tel modèle implique que le gaz soit préalablement chauffé, formant une structure sphérique qui doit se refroidir avant de pouvoir soutenir la formation d’un disque. Mais il se trouve que la galaxie nouvellement découverte contient un disque froid, poussiéreux et en rotation, en dépit du fait qu’elle se soit formée si tôt dans l’histoire de l’Univers. Ce qui suggère que le gaz pourrait avoir été refroidi lorsqu’il est tombé dans la galaxie naissante, permettant ainsi la formation rapide du disque.

Si tel est le cas, des disques de gaz massifs pourraient se former 2,5 milliards d’années plus tôt que ce que les scientifiques estimaient.

Une telle « accrétion à froid » changerait notre vision du moment et de la manière dont de telles galaxies à disque – qui comprennent notre propre Voie lactée – sont capables de se former. Cela pourrait à son tour changer notre compréhension de l’Univers, en nous permettant de mieux comprendre comment la matière est préalablement assemblée dans les grandes structures cosmiques qui nous entourent.

« Nous pensons que le disque de Wolfe s’est développé principalement grâce à l’accrétion constante de gaz froid », avance J. Xavier Prochaska, co-auteur de l’étude. « Néanmoins, l’une des questions restant en suspens est de savoir comment une telle masse de gaz a pu s’assembler tout en maintenant un disque en rotation relativement stable. »

Impression d’artiste du disque de Wolfe, une galaxie massive à disque en rotation dans l’Univers primitif

Un type de galaxie vraisemblablement répandu dans l’Univers primitif

En utilisant le Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) de la National Science Foundation et le télescope spatial Hubble de la NASA/ESA, les scientifiques en ont appris davantage sur la formation des étoiles dans le disque de Wolfe.

L’ALMA examinait les mouvements et la masse de la galaxie dans les longueurs d’onde radioélectriques, tandis que le VLA mesurait la quantité de masse moléculaire (matière nécessaire à la formation des étoiles) et qu’Hubble observait des étoiles massives à la lumière UV.

« Le taux de formation d’étoiles dans le disque de Wolfe est au moins dix fois plus élevé que dans notre galaxie. Ce doit être l’une des galaxies à disque les plus productives de l’Univers primitif », estime Prochaska.

Le disque de Wolfe avait été initialement découvert en 2017, alors que Neeleman et son équipe étudiaient la lumière d’un quasar plus éloigné, absorbée, lors de son passage via un énorme réservoir d’hydrogène gazeux entourant la galaxie. Ce qui a permis de la détecter. Cette technique basée sur l’absorption de lumière permet aux astronomes d’identifier des galaxies moins brillantes dans l’Univers primitif, considérées comme plus répandues.

« Le fait que nous ayons trouvé le disque de Wolfe en utilisant cette méthode nous indique qu’il appartient à la population normale des galaxies présentes à une époque précoce. Lorsque nos dernières observations avec l’ALMA ont révélé qu’il était en rotation, nous avons réalisé que les premières galaxies à disque en rotation n’étaient pas aussi rares que nous le pensions et qu’elles pourraient être potentiellement beaucoup plus nombreuses », conclut Neeleman.

https://twitter.com/TheNRAO/status/1263157381606912006
Image du disque de Wolfe capturée par l’ALMA

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