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L’Univers jeune a formé des galaxies étonnamment matures

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Des instruments comme Alma nous rapprochent sans cesse plus de l’aube de la formation des galaxies. Les résultats récents de la collaboration derrière le programme d’observation baptisé Alpine montrent à nouveau que les galaxies ont évolué étonnamment vite moins de 1,5 milliard d’années après le Big Bang.

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Comment sont nées et ont ensuite évolué les galaxies ? C’est un des problèmes au cœur de la cosmologie et il a des implications sur l’évolution de la matière du Big Bang au vivant car c’est dans les galaxies que les étoiles naissent et produisent les noyaux lourds qui formeront ensuite des planètes rocheuses, et bien sûr les cellules vivantes sur Terre. Comprendre nos origines suppose donc aussi de comprendre les galaxies, et leur étude est une partie importante de l’œuvre de plusieurs chercheurs comme le Prix Nobel de physique 2019, James Peebles, ou l’astrophysicienne française Françoise Combes, professeure au Collège de France depuis 2014.

Parmi les programmes d’études des galaxies primordiales peu après le Big Bang il y a l’Alma Large Program to Investigate Cat Early Times (en français, le Grand programme d’Alma pour étudier le C+ dans les premiers temps), dont Futura vous avait parlé à l’occasion du précédent article ci-dessous. Il expliquait qu’Alpine était la première étude multilongueurs d’onde des ultraviolets aux ondes radio de galaxies lointaines qui ont existé entre 1 et 1,5 milliard d’années après le Big Bang. Comme son nom l’indique, parmi les instruments mobilisés pour l’accomplir il y a en premier lieu l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma), le célèbre réseau de radiotélescopes de l’observatoire du Llano de Chajnantor situé dans le désert d’Atacama, au Chili. Mais des données importantes et complémentaires sont utilisées, collectées avec le Very Large Telescope (VLT), l’observatoire Keck à Hawaï et les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer.

Les astronomes de la collaboration internationale Alpine, parmi lesquels on trouve des membres du CNRS et d’Aix-Marseille Université, viennent de publier dans la célèbre revue Astronomy & Astrophysics toute une série d’articles sur leurs derniers travaux, que l’on peut consulter en accès libre sur arXiv.

Des galaxies évoluées déjà riches en poussière

Les galaxies étudiées le sont donc quand le cosmos observable était âgé d’environ 1 à 1,5 milliard d’années et si ce ne sont pas les plus lointains astres de ce type observés, c’est la première fois qu’un si grand nombre de galaxies est étudié de manière systématique, comme l’explique un communiqué du CNRS. Il s’agit en effet de pas moins de 118 galaxies massives qui ont fait l’objet d’une collecte de données qui a duré environ 70 heures au total avec Alma.

Observant dans un domaine de longueur d’onde entre l’infrarouge et les ondes radio, Alma permet d’évaluer les quantités de poussière présentes dans ces galaxies et elles se sont révélées étonnamment élevées. Or, on sait qu’il faut des étoiles ayant été jusqu’au bout de leur évolution sur la séquence principale pour produire ces poussières, ce qui veut dire qu’une première génération d’étoiles a évolué particulièrement vite pour synthétiser ces poussières en fin de vie.

On retrouve la problématique d’une évolution plus rapide des galaxies que ne le laissait prévoir l’ancien paradigme les concernant et qui avait du mal à rendre compte de la présence tôt dans l’histoire de l’Univers observable de grandes galaxies, déjà riches en éléments lourds comme le carbone, l’oxygène, le silicium ou le fer et le magnésium.

On sait que depuis une décennie environ, l’ancien paradigme a été progressivement remplacé par celui des courants froids, faisant intervenir des filaments de matière baryonique froide canalisés par des filaments de matière noire et qui alimentent donc aussi bien la formation stellaire des grandes galaxies précocement que la croissance de leurs trous noirs supermassifscomme l’avait expliqué à Futura le cosmologiste Romain Teyssier.

Or, justement, les données d’Alpine montrent également que les galaxies étudiées se sont révélées très riches en gaz froid.

Alma a également révélé que les galaxies étudiées présentent une grande diversité de formes et certaines possédaient déjà un disque en rotation pouvant conduire plus tard à une structure en spirale comme dans la Voie lactée. On en observe bien sûr, comme dans le cas des données qui avaient conduit à l’adoption du précédent paradigme pour l’évolution et la croissance des galaxies, certaines en train de fusionner.

Alpine et Olivier Le Fèvre

Curieusement, Alpine a débusqué aussi des galaxies qui éjectent du gaz, formant autour d’elles de mystérieux halos, comme l’annonce toujours le communiqué du CNRS, ce qui veut dire que le monde des nébuleuses cher à Edwin Hubble nous réserve encore des surprises.

Le communiqué du CNRS avec la liste des nouveaux articles publiés par la collaboration Alpine est aussi l’occasion de rendre hommage à l’un de ses précédents membres, Olivier Le Fèvre, décédé le 25 juin dernier à l’âge de 59 ans. L’un des piliers de l’astronomie française, Olivier Le Fèvre était également l’un des pionniers des grands relevés extragalactiques pour la cosmologie et il avait dirigé le Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, le LAM. Il avait rédigé pour Futura un dossier sur les galaxies.

Futura se joint à l’hommage fait à Olivier Le Fèvre, tout comme le communiqué du CNRS en relayant les liens aux huit articles dans Astronomy & Astrophysics du 27 octobre 2020.

  • Olivier Le Fèvre et al. – The ALPINE-ALMA [CII] survey. Survey strategy, observations, and sample properties of 118 star-forming galaxies at 4<z<6, https://arxiv.org/abs/1910.09517
  • Matthieu Béthermin et al. – The ALPINE-ALMA [CII] survey. Data processing, catalogs, and statistical source properties, https://arxiv.org/abs/2002.00962
  • Daniel Schaerer et al. – The ALPINE-ALMA [Cii] survey. Little to no evolution in the [C ii]-SFR relation over the last 13 Gyr, https://arxiv.org/abs/2004.10760
  • Yoshinobu Fudamoto  et al. – The ALPINE-ALMA [CII] Survey: Dust attenuation properties and obscured star-formation at z~4.4-5.8, https://arxiv.org/abs/2004.10760
  • Miroslava Dessauges-Zavadsky et al. – The ALPINE-ALMA [CII] survey. Molecular gas budget in the early Universe as traced by [CII], https://arxiv.org/abs/2004.10771
  • Paolo Cassata et al. – The ALPINE-ALMA [CII] survey. Small Lyalpha-[CII] velocity offsets in main-sequence galaxies at 4.4<z<6, https://arxiv.org/abs/2002.00967
  • Michele Ginolfi  et al. – The ALPINE-ALMA [CII] Survey: CGM pollution and gas mixing by tidal stripping in a merging system at z~4.57, https://arxiv.org/abs/2004.13737
  • Carlotta Gruppioni et al. – The ALPINE-ALMA [CII] Survey: nature, luminosity function, and star formation history of continuum non-target galaxies up to z~6, https://arxiv.org/abs/2006.04974

Ce qu’il faut retenir

  • Le programme Alpine étudie, en combinant les données d’Alma et de divers autres télescopes au sol et dans l’espace, des galaxies lointaines qui ont existé entre 1 et 1,5 milliard d’années après le Big Bang.
  • Les observations du programme ont permis de révéler des galaxies déformées en train de fusionner, mais aussi des galaxies en forme de disques en rotation, lesquelles pourraient avoir existé en grand nombre dans l’Univers plus tôt que ce qu’on pensait jusqu’à présent.
  • Les données d’Alma montrent aussi que lorsque l’Univers n’avait qu’un dixième de son âge actuel, ses galaxies ont connu une poussée de croissance et qu’au début de leur vie elles étaient bien plus évoluées qu’attendu.

Pour en savoir plus

Les galaxies en rotation seraient apparues plus tôt que prévu dans l’Univers

Article de Adrien Coffinet

De nouveaux résultats du programme Alpine montrent que des galaxies en forme de disques en rotation pourraient avoir existé en grand nombre dans l’Univers plus tôt que ce que l’on pensait jusqu’à présent.

Le programme Alpine, de son nom complet l’Alma Large Program to Investigate C+ at Early Times (littéralement le Grand programme d’Alma pour étudier le C+ dans les premiers temps), est la première étude multilongueurs d’onde des ultraviolets aux ondes radio de galaxies lointaines qui ont existé entre 1 et 1,5 milliard d’années après le Big Bang (décalage vers le rouge entre 4 et 6). Ce programme, qui implique des scientifiques du monde entier, utilise les données obtenues grâce à 70 heures d’observation du ciel avec l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma), au Chili, ainsi que des observations antérieures obtenues par divers autres télescopes, dont le Very Large Telescope aussi au Chili, l’observatoire W.-M.-Keck à Hawaï et les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer.

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Via futura-sciences.com

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