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Un regard détaillé sur des galaxies naissantes

Lundi 7 mars 2017

En poussant les plus grands télescopes à leurs limites, une équipe internationale d’astronomes, impliquant des chercheurs français du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (CNRS/Université Aix-Marseille) et de l’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie de Toulouse (CNRS/Université de Toulouse Paul Sabatier) a découvert une population de petites galaxies naissantes à une distance de plus de 11 milliards d’années-lumière, qui nous apporte des informations précieuses sur les premiers stades de formation des galaxies. Bien que rares, ces galaxies révèlent avec des détails sans précédent les conditions physiques extrêmes qui ont existé lorsque les premières galaxies se sont formées juste après le Big Bang. L’article a été publié dans Nature Astronomy le 2 mars 2017.

La naissance et les premiers instants de l’évolution des galaxies – comme notre Voie Lactée – dans les quelques centaines de millions d’années après le Big Bang est encore largement inaccessible aux moyens d’observation actuels. Ces dernières décennies, des galaxies ont pu être observées jusqu’à l’époque dite des « Ages Sombres », dans les 700 premiers millions d’années, lorsque l’univers était rempli d’un nuage d’hydrogène dense. Ces premières galaxies sont très faibles et enfouies dans un brouillard de gaz. Il est de ce fait très difficile de les observer à partir des observatoires actuels, et leur naissance et premières étapes d’assemblage n’ont jamais été observées en détail.

Pour identifier et étudier les propriétés de galaxies nouvellement formées, une équipe internationale a suivi une approche différente présentée dans une nouvelle étude publiée dans le numéro de mars de la revue Nature Astronomy. De fait, de nouvelles galaxies continuent de se former bien après les « Ages Sombres », et cette nouvelle étude a permis d’identifier des galaxies naissantes observées plus tard dans la vie de l’univers, environ un milliard d’années après les « Ages Sombres », quand l’univers n’avait cependant que 5% de son âge actuel. Etant malgré tout un peu plus proches de nous et sorties du brouillard dans lequel elles baignaient précédemment, ces galaxies sont plus faciles à étudier en détail ce qui a permis à cette équipe d’observer toutes les propriétés des galaxies dans leurs premiers instants.

Cette découverte a nécessité un important effort d’observation, coordonné dans le relevé VIMOS Ultra-Deep Survey (VUDS), le plus important relevé de galaxies à ces distances conduit avec le Very Large Telescope (VLT) de l’Observatoire Européen Austral au Chili. C’est notamment grâce à la spectroscopie très sensible obtenue avec le spectrographe VIMOS au VLT, complétée par des images du télescope spatial Hubble (NASA-ESA), que l’équipe a pu étudier les propriétés de ces « enfants galaxies » avec des détails sans précédent.

« Pour la première fois nous pouvons observer une population de galaxies extrêmement jeunes, présentant toutes les propriétés attendues des premières galaxies beaucoup plus tôt dans l’univers. Nous pouvons les observer avec des détails sans équivalent », affirme Ricardo Amorin de l’Observatoire astronomique de Rome (INAF), et travaillant maintenant à l’université de Cambridge (UK).

Les spectres obtenus avec VIMOS mettent en évidence que ces galaxies sont très riches en gaz ionisé, « avec très peu de poussières et d’éléments dit métalliques, comme le Carbone et l’Oxygène, qui sont produits par les premières étoiles massives dans une galaxie et dispersés très tôt lorsque ces étoiles meurent », précise Enrique Perez-Montero de l’Institut d’Astrophysique d’Andalousie, co-auteur de l’article. Ces étoiles très chaudes illuminent (ionisent) le gaz environnant avant de mourir en supernovæ dans une gigantesque explosion produisant des écoulements de gaz à grande échelle qui entrainent le gaz et les éléments métalliques. Les auteurs proposent que ce mécanisme pourrait expliquer comment leurs analogues primitifs ont pollué l’univers avec ces éléments métalliques et ont nettoyé leur environnement de gaz, contribuant à la fin des « Ages Sombres ».

Adriano Fontana de l’Observatoire de Rome (INAF), et co-auteur de l’étude, explique : « nous observons ces galaxies lors de ce qui semble être leur premier épisode de formation massive d’étoiles, ce qui les rend très lumineuses ». Olivier Le Fèvre, du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (Aix-Marseille Université et CNRS) et responsable scientifique du programme VUDS, ajoute : « nous avons pu trouver ces galaxies grâce aux observations très profondes d’un échantillon sans précédent de plus de deux mille galaxies. Les images du télescope spatial Hubble montrent des galaxies environ 30 fois plus petites et 100 fois moins massives que notre Voie Lactée, avec des formes compactes et irrégulières se présentant quelques fois en paires de galaxies en coalescence ».

Les galaxies découvertes dans cette étude éclairent sous un nouvel angle le processus encore largement inconnu de la formation des premières galaxies. Les méthodes mises en œuvre préparent à une meilleure interprétation des données qui seront obtenues avec le futur télescope spatial James Webb (JWST, NASA-ESA-CSA) qui sera lancé de Kourou fin 2018. Une époque excitante et potentiellement révolutionnaire de la cosmologie observationnelle et de l’étude de la formation des galaxies vient de commencer.

Pour en savoir plus...

Commentaire “News and views” dans Nature Astronomy, par le prof. Alice Shapley (Department of Physics and Astronomy, University of California Los Angeles, USA) Article de l'INAF

Source(s)

Analogues of primeval galaxies two billion years after the Big Bang, Nature Astronomy 1, Article number: 0052 (2017), 2 mars 2017

Contact scientifique

Olivier Le Fèvre

Laboratoire d’Astrophysique de Marseille
Tél. : (+33) 4 91 05 59 85

olivier.lefevre@lam.fr