Image de l’étude SHADS. Crédit : équipe de recherche SHADS
De nouvelles images ont révélé des indices détaillés sur la façon dont les premières étoiles et structures se sont formées dans l’Univers et suggèrent que la formation de la galaxie a pris un départ agité.
Une équipe internationale d’astronomes de l’Université de Nottingham et du Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA) a utilisé les données du Le télescope spatial Hubble (HST) et le Gran Telescopio Canarias (GTC), les soi-disant Champs Frontaliers, pour localiser et étudier certaines des plus petites galaxies les plus faibles de l’univers voisin. Cela a révélé que la formation de la galaxie était susceptible d’être instable. Les premiers résultats viennent d’être publiés dans la revue Avis mensuels de la Royal Astronomical Society (MNRAS).
L’une des questions les plus intéressantes auxquelles les astronomes tentent de répondre depuis des décennies est de savoir comment et quand les premières galaxies se sont formées. Concernant le comment, une possibilité est que la formation des premières étoiles au sein des galaxies ait commencé à un rythme soutenu, construisant lentement un système de plus en plus massif. Une autre possibilité est que la formation était plus violente et discontinue, avec des rafales intenses mais de courte durée de formation d’étoiles déclenchées par des événements tels que des fusions et une augmentation de l’accrétion de gaz.
« La formation d’une galaxie peut être comparée à une voiture », explique Pablo G. Pérez-González, l’un des co-auteurs de l’article, affilié au Centro de Astrobiología (CAB/CSIC-INTA) en Espagne, et chercheur principal du collaboration internationale à l’origine de cette étude. « Les premières galaxies auraient pu avoir un moteur de formation d’étoiles« diesel », ajoutant lentement mais continuellement de nouvelles étoiles, sans beaucoup d’accélération et transformant doucement le gaz en étoiles relativement petites pendant de longues périodes de temps. Ou la formation aurait pu être saccadée, avec des sursauts de formation d’étoiles produisant des étoiles incroyablement grandes qui perturbent la galaxie et la font cesser son activité pendant un certain temps, voire pour toujours. Chaque scénario est lié à différents processus, tels que les fusions de galaxies ou l’influence des trous noirs supermassifs, et ils ont un effet sur le moment et la manière dont le carbone ou l’oxygène, essentiels à notre vie, se sont formés.
En utilisant la puissance de lentille gravitationnelle de certains des amas de galaxies les plus massifs de l’Univers avec les données GTC exceptionnelles provenant d’un projet intitulé Survey for high-z Red and Dead Sources (SHARDS), les astronomes ont recherché des analogues proches des toutes premières galaxies formées en l’Univers, afin de pouvoir les étudier beaucoup plus en détail.
Le Dr Alex Griffiths de l’Université de Nottingham était l’un des principaux chercheurs britanniques de l’étude, explique-t-il : « Jusqu’à ce que nous ayons le nouveau télescope spatial James Webb, nous ne pouvons pas observer les premières galaxies jamais formées, elles sont tout simplement trop faibles. Nous avons donc cherché des bêtes similaires dans l’univers voisin et nous les avons disséqués avec les télescopes les plus puissants que nous ayons actuellement. »
Les chercheurs ont combiné la puissance des télescopes les plus avancés, tels que le HST et le GTC, à l’aide de « télescopes naturels ». Le professeur Chris Conselice, de l’Université de Manchester est co-auteur de l’étude, a-t-il déclaré : « Certaines galaxies vivent en grands groupes, ce que nous appelons des amas, qui contiennent d’énormes quantités de masse sous forme d’étoiles, mais aussi de gaz et matière noire. Leur masse est si grande qu’ils plient l’espace-temps et agissent comme des télescopes naturels. Nous les appelons lentilles gravitationnelles et elles nous permettent de voir des galaxies faibles et lointaines avec une luminosité améliorée et à une résolution spatiale plus élevée. »
Les observations de certains de ces amas massifs agissant comme des télescopes gravitationnels constituent la base de l’enquête Frontier Field. L’étude a montré que la formation de la galaxie était susceptible d’être interrompue avec des sursauts d’activité suivis d’accalmies. Le Dr Griffiths de l’Université de Nottingham a déclaré : « Notre principal résultat est que le début de la formation des galaxies est irrégulier, comme un moteur de voiture saccadé, avec des périodes de formation d’étoiles améliorées suivies d’intervalles endormis. Il est peu probable que les fusions de galaxies aient joué un rôle substantiel dans le déclenchement de ces sursauts de formation d’étoiles et c’est plus probablement en raison de causes alternatives qui améliorent l’accrétion de gaz, nous devons rechercher ces alternatives.
« Nous avons pu trouver ces objets grâce aux données SHARDS de haute qualité couplées aux données d’imagerie du télescope spatial Hubble pour détecter le gaz chaud chauffé par les étoiles nouvellement formées dans de très petites galaxies. Ce gaz chaud émet dans certaines longueurs d’onde, ce que nous appelons des raies d’émission, tout comme une lumière au néon. L’analyse de ces raies d’émission peut donner un aperçu de la formation et de l’évolution d’une galaxie. »
« Les observations de SHARDS Frontier Fields réalisées avec GTC ont fourni les données les plus profondes jamais recueillies pour découvrir des galaxies naines à travers leurs raies d’émission, nous permettant d’identifier des systèmes avec une formation d’étoiles récemment déclenchée », ajoute Pérez-González, l’un des co-auteurs de l’article et chercheur principal du projet GTC SHARDS Frontier Fields.
Référence : « Emission Line Galaxies in the SHADS Frontier Fields I : Candidate Selection and the Discovery of Bursty Ha Emitters » 20 octobre 2021, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
DOI : 10.1093/mnras/stab2566
