Des disques galactiques massifs existaient déjà tôt après le Big Bang

Une équipe internationale d'astrophysiciensastrophysiciens vient d'annoncer dans le journal Nature (article en accès libre sur arXiv) que les dernières données de la radioastronomie confirmaient la nécessité d'un changement de paradigme en ce qui concerne la formation des galaxies -- des données acquises par la noosphère grâce aux tout nouveaux yeuxyeux dont elle s'est dotée, en l'occurrence l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma), mais aussi des plus anciens.

En réalité, ce changement de paradigme est déjà bien amorcé depuis une dizaine d'années comme l'avait expliqué à Futura le cosmologiste Romain Teyssier dans une interview qu'il nous avait accordée. Au début du XXI^e siècle encore, alors que des instruments, comme le télescope HubbleHubble, donnaient de plus en plus accès au ciel profond et aux galaxies situées à des milliards d'années-lumière de la Voie lactée, on pensait généralement que les collisions et les fusions entre les jeunes galaxies étaient nombreuses au début de l'histoire de l'UniversUnivers observable et que c'était de cette façon que des grandes galaxies spiralesgalaxies spirales en rotation, comme la Voie lactée ou Andromède, étaient apparues. Ces collisions et ces fusions se poursuivaient aujourd'hui mais de façon moins intense depuis quelques milliards d'années.

Le scénario proposé, soutenu par des images de Hubble justement montrant des jeunes galaxies très irrégulières et produits de collisions en cours, était donc le suivant. En quelques centaines de millions d'années, juste après le Big BangBig Bang, des galaxies nainesgalaxies naines se seraient formées en grand nombre, puis auraient commencé à entrer en collision pour fusionner en donnant des galaxies plus grandes, avalant le plus souvent des galaxies naines, mais entrant également en collision avec leurs sœurs de taille comparable.

Dans toutes ces collisions, les ondes de chocs entre le gazgaz interstellaire dans les galaxies et entre le gaz autogravitant formé par les étoilesétoiles dans ces galaxies portaient ces gaz à hautes températures, de sorte qu'il fallait des milliards d'années pour qu'ils se refroidissent, après des flambées de formation de nouvelles étoiles par ailleurs. Les grandes galaxies à disques comme notre Voie lactée -- et pas seulement celles qui sont spirales -- n'auraient donc commencé à prendre les formes bien régulières et plus « froides » qu'on ne leur connait que depuis 6 milliards d'années environ. Rappelons que, d'après les observations, notamment celle du satellite Planck concernant le rayonnement fossilerayonnement fossile, le cosmoscosmos observable est âgé d'environ 13,8 milliards d'années.

Des superordinateurs pour comprendre l'évolution des galaxies

Toutefois, les années passant, des difficultés sont apparues avec ce scénario. Selon lui, par exemple, ce serait uniquement à l'occasion de ces fusions, apportant donc beaucoup de gaz interstellaire, que les trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs au cœur des galaxies étaient suffisamment alimentés en matièrematière pour devenir les éblouissants quasarsquasars. Or, ce n'est pas ce que les observations ont fini par montrer.

Enfin, les progrès dans les simulations de la formation des galaxies et de la formation des grandes structures avec des filaments rassemblant les amas de galaxiesamas de galaxies autour de bulles presque vides racontaient depuis une décennie une tout autre histoire où les collisions et fusions ne jouent en fait qu'un rôle marginal de la naissance et la croissance des galaxies. Or, ces simulations collent souvent bien avec les observations et surtout les plus récentes comme l'expliquait Romain Teyssier.

Un nouveau scénario en émergeait, faisant jouer un rôle clé à la matière noirematière noire froide du modèle cosmologique standardmodèle cosmologique standard dont le prix Nobel de physiquephysique James Peebles a été un des grands pionniers.

Selon ce nouveau paradigme, la matière noire, dont la massemasse domine nettement celle de la matière ordinaire, s'est effondrée gravitationnellement rapidement en formant des filaments de matière qui vont connecter les galaxies et les amas de galaxies en provoquant du même coup la formation de filaments de matière ordinaire froide canalisés vers les jeunes galaxies et les alimentant.

De cette manière, il était possible de faire naître très rapidement des grandes galaxies et sans faire intervenir des collisions. On expliquait donc les découvertes de grandes galaxies jeunes et les allumages de quasars sans collisions. Enfin, la théorie prédisait que l'on devrait observer des grandes galaxies spirales dans les premiers milliards d'années de l'histoire du cosmos. C'est justement ce que vient d'annonce la découverte décrite dans Nature.

Une large population cachée de galaxies à disque

Alma a permis d'identifier une grande galaxie à disque contenant déjà environ 72 milliards de masses solaires, et ce, seulement 1,5 milliard d'années après le Big Bang. D'abord découverte et étudiée dans le domaine millimétrique et submillimétrique avec ce réseau de radiotélescoperadiotélescope, les secrets de la galaxie DLA0817g ont ensuite été scrutés dans le domaine radio avec le Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), puis dans l'ultravioletultraviolet avec le télescope Hubble.

Rebaptisée depuis disque de Wolfe, en l'honneur du défunt astrophysicien et cosmologiste Arthur Wolfe, à qui l'on doit notamment la découverte du fameux effet Sachs-Wolfe, la galaxie s'est révélée avoir un taux de formation d'étoiles 10 fois supérieur à celui de la Voie lactée. Les raies d'absorptionabsorption dans la lumière provenant d'un quasar encore plus lointain que le disque de Wolfe et qui avait permis sa découverte indiquent également qu'il est en rotation à la vitessevitesse de 272 kilomètres par seconde, ce qui est comparable au cas de notre Galaxie. Ces raies indiquent aussi qu'il contient beaucoup de gaz froid.

Toutes ces observations font dire à Marcel Neeleman de l'Institut Max PlanckMax Planck d'astronomie à Heidelberg, en Allemagne, et auteur principal de l'article publié dans Nature qu' « alors que des études antérieures laissaient entendre l'existence de ces premières galaxies à disques riches en gaz et en rotation, grâce à Alma, nous avons maintenant des preuves sans ambiguïté qu'elles se forment bien et dès 1,5 milliard d'années après le Big Bang. Le fait que nous ayons trouvé le disque de Wolfe en utilisant cette méthode (avec la lumière d'un quasar, ndlr), nous indique qu'il appartient à la population normale de galaxies présentes à une époque précoce. Lorsque nos dernières observations avec Alma ont montré de façon surprenante qu'il tournait, nous avons réalisé que les premières galaxies à disque en rotation ne sont pas aussi rares que nous le pensions et qu'il devrait y en avoir beaucoup plus ».

Futura a demandé des explications supplémentaires à Romain Teyssier qui a bien voulu répondre à nos questions.

Romain teyssier est professeur d'astrophysique computationnelle à l'Université de Zurich. Il travaille sur des simulations des structures cosmiques à l'aide de superordinateurs, afin de comprendre l'origine d'objets astrophysiques tels que les étoiles (comme notre Soleil) et les galaxies (comme notre Voie Lactée). Il modélise également l'évolution de l'Univers tout entier dans le cadre de la mission Euclid. ©  Theo von Daeniken, University of Zurich

Futura-Sciences : Dans quelle mesure peut-on dire que la découverte du disque de Wolfe est une confirmation du modèle cosmologique standard avec matière noire et constante cosmologiqueconstante cosmologique ?

Romain Teyssier : Rien ne montre qu'elle le contredit en tout cas et il n'est toujours pas possible d'expliquer les caractéristiques du rayonnement fossile sans faire usage d'un modèle de matière noire, c'est-à-dire en utilisant par exemple la théorie Mondthéorie Mond. La formation aussi précoce d'une galaxie, comme le disque de Wolfe, n'est pas du tout impossible dans le cadre du modèle cosmologique standard même si ce type d'objet devrait être aussi fréquent que des grands amas de galaxie, comme celui de la Chevelure de Bérénice, encore appelé amas de ComaComa, qui contient plus de 1.000 galaxies identifiées. Il devrait en exister en moyenne un dans une sphère dont le rayon est de 100 mégaparsec. De toute manière, l'article de Marcel Neeleman et ses collègues n'aborde pas la question d'une évaluation statistique de l'occurrence des galaxies à disques comme le disque de Wolfe.

Futura-Sciences : C'est une nouvelle confirmation, s'il en fallait, du modèle des courants froids pour la croissance des galaxies ?

Romain Teyssier : Absolument, à l'époque de la formation des galaxies correspondant à celle du disque de Wolfe, les fusions importantes de galaxies de grandes tailles devaient être rares et ce sont ces courants de matière baryonique froids qui représentent le processus de croissance dominant des galaxies.

Futura-Sciences : Les caractéristiques de DLA0817g plaident-elles vraiment en faveur de cette interprétation ?

Romain Teyssier : Oui, les observations montrent que l'on est en présence d'une galaxie seulement un peu plus petite et un peu moins massive que la Voie lactée par son contenu en gaz mais son disque est beaucoup plus épais que celui de notre Galaxie qui est vraiment mince. Enfin, les dispersions des vitesses de la matière dans ce disque sont assez importantes ainsi que son contenu en gaz.

C'est exactement ce à quoi on pouvait s'attendre avec le modèle des courants froids. On est en présence d'un disque où le contenu est très turbulent et où cette turbulenceturbulence et la présence de grandes quantités de gaz, alors que la formation stellaire est importante, sont maintenues en continu par l'apport des courants froids.