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Des galaxies plus évoluées que prévues dans le jeune Univers

Matthieu Béthermin, Astronome adjoint au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM)

Interview de Matthieu Béthermin, Astronome adjoint au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM) pour La lettre AMU Novembre-Décembre 2020 - n°84.

QUESTIONS à Matthieu Béthermin...

Alors que l’Univers n’était qu’à ses prémices, certaines galaxies ont connu une poussée de croissance. C’est à ce phénomène que se sont intéressés les chercheurs du projet Alpine, dont fait partie Matthieu Béthermin. Leurs découvertes ont fait l’objet d’une série d’articles [1] dans la revue Astronomy & Astrophysics le 27 octobre dernier.

Pouvez-vous nous présenter le projet Alpine en quelques phrases ?

L’idée du projet Alpine est d’observer l’état et de comprendre le fonctionnement des galaxies dans le jeune Univers entre 1 et 1,5 milliard d’années après le Big Bang. Les galaxies de cette époque ne sont pas très bien connues, et nous ne voulions pas uniquement avoir accès, via la lumière optique, aux étoiles déjà formées. Nous voulions également observer le gaz, qui agit comme carburant lors de la formation d’étoiles. Pour accéder au gaz froid, il faut sortir du domaine visible et entrer dans le domaine submillimétrique (entre l’infrarouge lointain et le domaine radio). Cela se fait grâce au télescope ALMA installé au Chili à 5000 mètres d’altitude. Nous avions déjà observé pas mal de petits échantillons d’objets qui semblaient raconter une histoire peu cohérente, avec des caractéristiques très différentes d’une étude à l’autre. Avec Alpine, nous avons donc décidé de faire un premier échantillon statistique, afin d’avoir une vision globale de ce qui s’y passait.

Le projet a permis de découvrir que des galaxies pourtant observées au début de leur vie sont étonnamment plus matures que prévu. Qu’est-ce que cela implique ?

En formant des éléments lourds lors de leur évolution, les galaxies produisent de la poussière. La présence de poussière indique donc que les galaxies ont déjà atteint une certaine maturité. Ici, les galaxies que nous avons découvertes sont jeunes, mais ont déjà atteint la masse de la Voie Lactée et contiennent énormément de poussières. Cela veut dire qu’il y a déjà eu formation de beaucoup d’étoiles et d’éléments lourds rejetés par les étoiles massives en fin de vie. Alors qu’il a fallu 13,8 milliards d’années pour que la Voie Lactée s’assemble et arrive où elle en est actuellement, pour ce genre de galaxie cela s’est passé « en un claque-ment de doigts » à l’échelle de l’Univers. Nous pensons que cela doit être lié à quelque chose que nous avons du mal à observer, mais qui est prévu dans nos modèles théoriques : les halos de matière noire, des sortes de grumeaux de cette matière à la nature encore mal comprise. Dans les zones les plus denses de l’Univers primordial, ces halos grossissent très rapidement et de grandes quantités de gaz y tombent à cause de la gravité, fournissant le matériel pour former des galaxies très vite.

Suite à cette nouvelle découverte, quelles sont les nouvelles questions qui se posent concernant l’évolution des galaxies ?

En menant ce projet, nous avons découvert beaucoup de choses auxquelles nous ne nous attendions pas. Le plus surprenant était que les galaxies qui forment beaucoup d’étoiles ont tendance à être entourées d’un halo de gaz enrichi en carbone. Elles contiennent des éléments lourds et en envoient dans leur environnement proche, ce qui peut se révéler important dans la formation d’étoiles dans les satellites voisins. Ce n’était pas prévu dans les théories et reste donc à comprendre. La question de la poussière qui arrive aussi tôt dans l’histoire de l’Univers impose aussi de nouvelles contraintes sur nos modèles. Il faudra désormais affiner notre façon de décrire ce genre de chose. Enfin, nous pouvons nous demander : s’il existe de telles galaxies massives déjà remplies de poussière, existe-t-il des galaxies encore plus grosses dont nous aurions manqué l’existence car elles seraient complètement enveloppées dans des cocons de poussière et donc invisibles aux télescopes optiques ? Au final, ce projet a apporté plus de questions que de réponses, ce qui ouvre de nombreuses et excitantes pistes de recherches futures.

Lire La lettre AMU en ligne.

Voir en ligne : En relation avec cet article, consultez l’article "Des galaxies étonnamment matures dans le jeune Univers"

Notes

[1Ces articles sont dédiés à la mémoire d’Olivier Le Fèvre, responsable du projet Alpine et chercheur au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, décédé en juin 2020.