Les premières galaxies étaient peut-être plus grandes et plus complexes qu’on ne le pensait

A1689-zD1, c'est le nom que les astronomesastronomes donnent à une jeune galaxie située à environ 13 milliards d'années-lumière de notre Voie lactée. Une galaxie « normale » sur laquelle les astronomes ont braqué le Grand réseau d'antennes millimétrique/submillimétrique de l'Atacama (Alma, Chili) dans l'espoir d'en percer les secrets. Et comme ils le rapportent à l'occasion du congrès de l'Union américaine d'astronomie, ils n'ont pas été déçus.

Ils ont en effet découvert un halo de carbone froid qui s'étend, de manière surprenante, bien au-delà du centre de A1689-zD1. Ainsi que des écoulements de gaz chauds et ionisés partant du cœur de la jeune galaxie. De tels écoulements sont généralement le fait d'une activité violente, de type supernova. Le tout pourrait constituer une preuve que des étoilesétoiles se forment là, en continu. D'autant que le halo de carbone se trouve dans les mêmes régions que l'hydrogènehydrogène interstellaire neutre connu pour se concentrer dans les régions de formation d’étoiles. Ainsi, A1689-zD1 pourrait se révéler bien plus grande que les astronomes le pensaient.

Il est également possible que ce halo de carbone constitue le vestige d'une activité galactique passée. A1689-zD1 aurait ainsi déjà pu connaître des fusionsfusions. Des forces gravitationnellesforces gravitationnelles complexes se seraient alors exercées sur la galaxie conduisant à l'éjection d'une quantité colossale de gaz sur ces grandes distances. Mais dans les deux cas, A1689-zD1 a probablement connu une évolution précoce plutôt active. « Et même si cela n'avait jamais été observé, cela pourrait être ce qui se passe la plupart du temps, pour les premières galaxies formées dans notre UniversUnivers », commente Hollis Atkins, l'auteur principal de l'étude, dans un communiqué du National Radio Astronomy Observatory (États-Unis).

Du rififi dans l’Univers primitif

Seiji Fujimoto, un autre auteur de ces travaux, le confirme : « Le halo de carbone dans A1689-zD1 est beaucoup plus étendu que ce qui a été observé avec le télescope spatial Hubbletélescope spatial Hubble, et cela pourrait signifier que les premières galaxies ne sont pas aussi petites qu'elles le paraissent. Cela aurait un impact majeur sur la théorie de la formation et de l'évolution des galaxies dans l'Univers primitif. »

Pourquoi le télescope spatial Hubble n'a-t-il rien vu ? Parce qu'il ne voit pas dans le domaine radio, accessible à Alma. Parce qu'ici, les astronomes ont aussi profité, de manière tout à fait fortuite, d'un effet de lentille gravitationnellelentille gravitationnelle qui a permis d'agrandir la galaxie cible plus de neuf fois. De quoi faire apparaître des détails critiques qui restent habituellement cachés pour des galaxies aussi lointaines.

À y regarder d'un autre œilœil - et de plus près aussi -, donc, il semblerait bien que les premières galaxies qui ont émergé dans notre Univers étaient déjà très complexes. Que l'Univers primitif n'était pas tout à fait comme l'avaient dessiné les astronomes. Ainsi, les chercheurs attendent désormais avec une impatience non dissimulée les observations prévues par le télescope spatial James-Webb (JWSTJWST). Dès janvier 2023, elles devraient poser sur A1689-zD1 un regard plus complet encore.

Une toute jeune galaxie du début de l'univers et déjà poussiéreuse

L'univers n'avait alors que 700 millions d'années mais cette jeune galaxie A1689-zD1, très lointaine, donc et repérée par le VLTVLT, était déjà riche en poussières. Son observation détaillée par Alma a été rendue possible par un effet de lentille gravitationnelle et confirme l'évolution rapide des galaxies nées peu après le Big BangBig Bang.

Article de l'ESOESO paru le 09/03/2015

L’immense et massif amas de galaxies Abell 1689 photographié par Hubble. La lumière d'objets plus distants est déviée par l’énorme concentration de galaxies, ce qui peut augmenter leur luminosité au point de les rendre visibles comme dans le cas de l'objet A1689-zD1 (encadrement à droite). Sa luminosité a été amplifiée d’un facteur 9. Son décalage vers le rouge (redshift) est de 7,5. © Nasa, Esa, L. Bradley et H. Ford (Johns Hopkins University), R. Bouwens et G. Illingworth (University of California)

Une équipe d'astronomes conduite par Darach Watson de l'université de Copenhague a utilisé l'instrument X-shooter installé sur le VLT de l'Eso ainsi qu'Alma - vaste réseau (sub-)millimétrique de l'Atacama -- dans le but d'observer l'une des galaxies les plus jeunes et les plus lointaines qui soient. À leur grande surprise, la cible leur apparut très évoluée. En effet, la proportion de poussière qu'elle renferme est semblable à celle d'une galaxie mature comme la Voie lactée. Cette composante essentielle contribue à la formation de planètes, de moléculesmolécules complexes et d'étoiles normales.

La galaxie A1689-zD1, identifiée sur des clichés antérieurs du télescope spatial Hubble, a constitué la cible de leurs observations. Un effet de lentille gravitationnelle produit par Abell 1689, un spectaculaire amas de galaxiesamas de galaxies situé sur la ligne de visée, a augmenté sa luminositéluminosité apparente d'un facteur 9. En l'absence de cet effet, la jeune galaxie, de faible luminosité, n'aurait pu être détectée.

Observer A1689-zD1, c'est scruter une portion de l'univers qui était alors âgé de seulement 700 millions d'années (soit 5 % de son âge actuel). Ce système est d'apparence modeste - bien moins massif et lumineux que de nombreux autres objets de l'univers jeune étudiés auparavant - et donc davantage représentatif des galaxies datant de cette période, celle de la réionisation. Les toutes premières étoiles engendrèrent alors une aubeaube cosmique, illuminant pour la première fois un univers immense et transparenttransparent, mettant ainsi un terme à la période de stagnation que l'on appelle l'âge sombre.

La complexité chimique ainsi que l'abondance de poussière interstellairepoussière interstellaire au sein de cette galaxie surprirent les observateurs, qui s'attendaient à découvrir un système tout jeune. « Après que le VLT eut confirmé l'éloignement de la galaxie, nous avons réalisé qu'elle avait déjà été observée au moyen d'Alma, confie Darach Watson. Nous ne nous attendions pas à découvrir grand-chose, mais je puis vous avouer que nous étions tous très excités à l'idée qu'Alma en ait réalisé un cliché précis. L'un des objectifs principaux de cet observatoire consiste à détecter les émissionsémissions de gaz froid et de poussière en provenance de galaxies de l'univers jeune - et nous en tenions une ! »

Sur cette image acquise dans le visible et l’infrarouge avec la caméra WFC3 d’Hubble, gros plan dans l’amas galactique Abell 1689 sur l’objet A1689-zD1 situé à un peu plus de 13 milliards d’années-lumière de notre galaxie, la Voie lactée. Les nouvelles observations effectuées au moyen d'Alma et du VLT ont montré qu’il s’agit d’une galaxie poussiéreuse qui nous apparaît telle qu'elle était lorsque l’univers était âgé d’environ 700 millions d'années. © Eso, J. Richard

Cette jeune galaxie a rapidement généré des étoiles

Cette galaxie est un enfant du cosmoscosmos, mais un enfant précoce. À son âge, elle devrait présenter un déficit en éléments chimiqueséléments chimiques lourds (en métauxmétaux, comme on désigne en astronomie les éléments plus lourds que l'hydrogène et l'héliumhélium). Ces métaux sont produits au cœur des étoiles puis dispersés dans l'espace lorsque, par exemple, à la fin de sa vie, l'astreastre explose. Répété sur de nombreuses générations d'étoiles, ce processus conduit à l'enrichissement significatif de l'univers en éléments plus lourds tels que le carbone, l'oxygèneoxygène et l'azoteazote.

Étonnamment, la galaxie A1689-zD1 semblait émettre un rayonnement intense dans l'infrarougeinfrarouge lointain (la radiation initiale, transformée en ondes millimétriques par l'expansion de l'Univers, peut être détectée par Alma). Cela laissait supposer qu'elle avait déjà donné naissance à de nombreuses étoiles et produit des quantités significatives de métaux. Ainsi, non seulement elle renfermait une bonne proportion de poussières, mais elle était caractérisée par un rapport poussière/gaz semblable à celui des galaxies plus matures. « Bien que l'origine exacte de la poussière galactique demeure inconnue, nos observations suggèrent que sa production commença très tôt, au cours des 500 millions d'années suivant le début de la formation d'étoiles dans l'univers - un laps de temps très court à l'échelle cosmologique, sachant que la plupart des étoiles vivent des milliards d'années », précise le chercheur qui a dirigé cette étude publiée dans l'édition du 2 mars 2015 de Nature (également disponible ici sur le site de l'Eso).

Les résultats suggèrent que la galaxie A1689-zD1 n'a cessé de créer de nouvelles étoiles à un rythme modéré à compter de 560 millions d'années après le Big Bang, ou qu'elle soit passée par une phase de création stellaire très intense suivie d'une période de déclin.

Avant cette étude, les astronomes craignaient de ne pouvoir détecter de galaxies aussi lointaines de cette manière. Le cas de A1689-zD1 montre qu'il est possible d'en découvrir au moyen de brèves observations effectuées avec Alma.

« Cette galaxie incroyablement poussiéreuse semble avoir été pressée de donner naissance à sa première génération d'étoiles, commente Kristen Knudsen de l'université de technologie Chalmers (Suède) qui a cosigné l'article. À l'avenir, Alma nous permettra de découvrir d'autres galaxies de ce type et nous révélera le secret de leur précocité. »