Les premières galaxies massives sont nées plus tôt que prévu

Le télescope Vista a scruté un ensemble de galaxies massives longtemps demeurées inconnues bien qu’elles soient contemporaines de l’univers jeune. La découverte, suivie de l’étude de cet échantillon, le plus vaste à ce jour, a permis aux astronomes de dater, pour la toute première fois, l’époque de formation de ces monstres galactiques : un milliard d’années après le Big bang, soit plus tôt que prévu.

Vista a scruté un ensemble de galaxies massives longtemps demeurées inconnues bien qu’elles soient contemporaines de l’univers jeune. Sur cette image couvrant le champ d’observation d’UltraVista, chaque petit cercle rouge indique les galaxies massives nouvellement découvertes. © Eso, UltraVista team, TERAPIX, CNRS, INSU, CASU Vista a scruté un ensemble de galaxies massives longtemps demeurées inconnues bien qu’elles soient contemporaines de l’univers jeune. Sur cette image couvrant le champ d’observation d’UltraVista, chaque petit cercle rouge indique les galaxies massives nouvellement découvertes. © Eso, UltraVista team, TERAPIX, CNRS, INSU, CASU

Le simple fait de dénombrer les galaxies peuplant une région du ciel permet aux astronomes de tester leurs théories de formation et d’évolution galactiques. Cette tâche, au demeurant simple, se complexifie néanmoins à mesure que la distance des galaxies augmente et que leur luminosité diminue. En outre, les galaxies les plus brillantes et les plus faciles à observer – les galaxies les plus massives de l’univers – sont d’autant plus rares que les astronomes scrutent le passé de l’univers, tandis que les galaxies moins brillantes et plus nombreuses sont toujours plus difficiles à détecter.

Une équipe d’astronomes dirigée par Karina Caputi de l’institut astronomique Kapteyn à l’université de Groningen a mis au jour l’existence de nombreuses galaxies distantes qui avaient échappé à tout examen antérieur. Pour ce faire, l’équipe a utilisé des images acquises dans le cadre du sondage UltraVista, l’un des six projets de sondage du ciel à des longueurs d’onde proches de l’infrarouge impliquant Vista (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy), et recensé les galaxies faiblement lumineuses peuplant l’univers lorsqu’il était âgé de 0,75 à 2,1 milliards d’années.

UltraVista a observé la même région du ciel, dont les dimensions avoisinent celles de quatre pleines Lune, depuis décembre 2009. Il s’agit de la plus vaste jamais imagée à ces profondeurs et à des longueurs d’onde infrarouges. L’équipe a ensuite combiné ces observations à celles du télescope spatial Spitzer (Nasa), à de plus grandes longueurs d’onde, dans l’infrarouge moyen.

« Nous avons découvert 574 nouvelles galaxies massives – l’échantillon le plus vaste à ce jour de ces galaxies cachées au sein de l’univers jeune, déclare Karina Caputi. En les étudiant, nous avons été en mesure de répondre à une question simple, mais ô combien importante : à quelle époque les premières galaxies massives sont-elles apparues ? »

Quelques-unes des galaxies massives nouvellement découvertes figurent en gros plan sur ces échantillons du champ d’observation UtraVista. © Eso, UltraVista team, TERAPIX, CNRS, INSU, CASU
Quelques-unes des galaxies massives nouvellement découvertes figurent en gros plan sur ces échantillons du champ d’observation UtraVista. © Eso, UltraVista team, TERAPIX, CNRS, INSU, CASU

De nombreuses galaxies massives, entre 1 et 3 milliards d’années après le Big Bang

Imager le ciel dans le proche infrarouge a permis aux astronomes de détecter la présence d’objets extrêmement lointains, contemporains de l’univers jeune, et dont l’existence se trouve masquée par la poussière. L’équipe a découvert une brusque augmentation du nombre de ces galaxies sur une courte période. Une part importante des galaxies massives (c’est-à-dire supérieure à 50 milliards de masses solaires) qui peuplent aujourd’hui l’univers proche existait déjà trois milliards d’années après le Big Bang.

« Nous n’avons pas trouvé la preuve de l’existence de ces galaxies massives moins d’un milliard d’années après le Big Bang. Nous en déduisons que les premières galaxies massives se sont certainement formées à cette époque », conclut Henry Joy McCracken, coauteur de l’article publié dans The Astrophysical Journal. L’équipe n’a en effet pas trouvé de traces de l’existence de galaxies massives au-delà d’un redshift de 6, c’est-à-dire aux époques antérieures à 0,9 milliard d’années après le Big Bang.

Les astronomes ont par ailleurs découvert que les galaxies massives étaient plus nombreuses que supposées. Les galaxies jadis masquées représentent la moitié du nombre total des massives contemporaines de l’univers alors âgé de 1,1 à 1,5 milliard d’années (redshift entre z=5 et z=4). Toutefois, ces nouveaux résultats contredisent les modèles actuels décrivant l’évolution des galaxies dans l’univers jeune, qui ne prévoient pas l’existence de monstres galactiques à des époques aussi reculées.

Pour compliquer davantage encore la situation : si les galaxies massives de l’univers jeune étaient plus poussiéreuses qu’attendu, même UltraVista ne pourrait les détecter. Si tel était effectivement le cas, notre conception actuelle de la formation des galaxies dans l’univers jeune devrait également être entièrement révisée.

Alma, le vaste réseau (sub-)millimétrique de l’Atacama, se lancera à son tour à la recherche de ces galaxies poussiéreuses. Une fois découvertes, elles constitueront des cibles d’observation privilégiées de l’E-ELT (39 m de diamètre), qui fournira des images détaillées de certaines de ces toutes premières galaxies.

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