Les modèles actuels de formation de galaxies massives suggèrent qu’elles évoluent dans le cadre d’un processus de croissance lente, augmentant progressivement leur taille par des fusions avec des galaxies plus petites et l’accumulation d’amas de gaz chaud. Cela signifie que la plupart des galaxies devraient avoir atteint la taille massive relativement tard au cours des 13,8 milliards d’années d’histoire de l’Univers.
Cependant, la découverte d’une galaxie massive à disque rotatif, un peu comme notre propre Voie lactée, alors que l’Univers n’avait que 1,5 milliard d’années, remet ces modèles en question.
La découverte de l’existence de la galaxie DLA0817g – surnommée le disque Wolfe en hommage à feu l’astronome Arthur M. Wolfe – à un stade aussi précoce du développement de l’Univers a été faite par une équipe d’astronomes utilisant le Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). À 12,8 milliards d’années-lumière de la Terre, c’est actuellement la galaxie à disque la plus éloignée jamais observée. Cela signifie qu’elle est aussi la plus éloignée dans l’histoire de l’Univers.
[Read: Satellite galaxies could help physicists test a new dark matter theory]
Le fait qu’une galaxie aussi massive, tournant à 170 miles par seconde, ait pu exister alors que l’Univers n’avait que 10% de son âge actuel, suggère fortement que les galaxies pourraient croître beaucoup plus rapidement qu’on ne le croit actuellement. Les recherches de l’équipe sont publiées dans la revue La nature.
« Avec la puissance inégalée de l’ALMA, nous avons révélé une galaxie à disque massive et en rotation rapide qui ressemble à notre Voie lactée mais qui s’est formée seulement 1,5 milliard d’années après le Big Bang », déclare le co-auteur J. Xavier Prochaska, professeur d’astronomie et d’astrophysique à l’université de Californie Sant Cruz. « Le message à retenir est que la formation des galaxies peut se dérouler assez rapidement pour générer des galaxies massives, riches en gaz, avec une cinématique étonnamment « froide » dans les premiers temps ».
L’existence de galaxies massives à rotation précoce riches en gaz a été suggérée par des recherches antérieures, mais c’est la première preuve évidente d’une telle galaxie.
« Alors que des études précédentes ont montré des indications de galaxies en rotation, en forme de disque, ces données de l’ALMA et du VLA fournissent des preuves sans équivoque que des galaxies riches en gaz, massives, froides et à disque en rotation se produisent dès 1,5 milliard d’années après le Big Bang », déclare M. Prochaska. « Un système aussi bien formé contredit de nombreuses simulations, mais pas toutes, de la formation des galaxies aux premiers temps ».
Qui a peur du Big Bad Wolfe Disk ?
La découverte du disque de Wolfe par l’équipe remet en question les modèles de formation des galaxies qui suggèrent que de telles structures cosmiques ne devraient commencer à montrer des disques bien formés que lorsque l’Univers aura environ six milliards d’années. La découverte du disque de Wolfe à seulement 1,5 milliard d’années signifie qu’il aurait pu y avoir d’autres processus de formation dominants.
La plupart des galaxies que nous trouvons au début de l’univers ressemblent à des épaves parce qu’elles ont subi une fusion constante et souvent « violente » », explique l’auteur principal Marcel Neeleman de l’Institut Max Planck pour l’astronomie à Heidelberg, en Allemagne. « Ces fusions chaudes rendent difficile la formation de disques rotatifs froids et bien ordonnés, comme nous l’observons dans notre univers actuel ».
L’équipe suggère que le Wolfe Disk a dû se développer grâce à l’accrétion constante de gaz froid. Ils ajoutent que le taux de formation d’étoiles avec le Wolfe Disk a dû être dix fois plus élevé que les taux similaires dans la Voie lactée. « Ce doit être l’une des galaxies à disque les plus productives du début de l’univers », ajoute M. Prochaska.
Ce taux de formation rapide laisse une question importante à considérer. « Le principal défi », selon M. Prochaska, « est d’assembler rapidement une masse de gaz aussi importante tout en maintenant un disque relativement calme, mince et rotatif ».
Attendre que la technologie rattrape le travail d’Arthur Wolfe
Le Wolfe Disk a été observé pour la première fois par Neeleman et son équipe lorsqu’ils ont examiné la lumière d’un quasar plus éloigné en 2017.
L’équipe a découvert que la lumière du quasar était absorbée lorsqu’elle traversait un réservoir d’hydrogène gazeux. Ils ont pu conclure qu’un nuage d’hydrogène aussi massif entourait une galaxie. C’est une technique souvent utilisée par les astronomes pour repérer les galaxies plus faibles, en particulier les galaxies normales du début de l’Univers.
« Le fait que nous ayons trouvé le disque Wolfe en utilisant cette méthode, nous indique qu’il appartient à la population normale des galaxies présentes aux premiers temps », dit Neeleman. « Lorsque nos dernières observations avec ALMA ont étonnamment montré qu’il est en rotation, nous avons réalisé que les galaxies à disque en rotation précoce ne sont pas aussi rares que nous le pensions et qu’il devrait y en avoir beaucoup plus. »
Cette découverte et son approfondissement n’ont été possibles que grâce à l’incroyable sensibilité de l’ALMA que l’équipe a utilisé en conjonction avec le télescope spatial Hubble et le réseau du Very Large Telescope (VLT), basé sur la montagne Cerro Paranal dans le désert chilien.
Outre l’importance de la découverte et sa signification pour notre compréhension de l’évolution des galaxies, pour Prochaska, l’étude a une importance sur un plan beaucoup plus personnel. La recherche est l’aboutissement des travaux de son conseiller en doctorat et astrophysicien, Arthur Wolfe, décédé en 2014.
« En 1986, il a découvert et exploité une nouvelle technique pour découvrir des galaxies lointaines à une époque où l’on n’en connaissait qu’une poignée », explique M. Prochaska. « Puis, dans les années 1990, lorsque j’ai rejoint le projet, nous avons recueilli des données avec les télescopes Keck, alors tout nouveaux, qui suggéraient que ces galaxies pouvaient être des disques en rotation, un peu comme notre propre Voie lactée.
« Nous avons été largement critiqués parce que cette image n’était pas conforme aux principales théories de l’époque. »
Selon M. Prochaska, il s’agissait alors d’attendre que la technologie rattrape son retard pour tester la théorie de Wolfe, l’ALMA permettant enfin de réaliser ces tests.
« Il est seulement regrettable que l’Art n’ait pas vécu assez longtemps pour en être lui-même témoin », conclut Prochaska. « C’est pourquoi nous le commémorons en nommant cette galaxie le Disque de Wolfe et nous encourageons les astronomes à appeler la classe d’objets « Disques de Wolfe » ».
Cet article a été publié à l’origine sur Le compagnon cosmique par Robert Lea. Vous pouvez lire cette pièce originale ici.
Nouvelles de l’astronomie avec The Cosmic Companion est également disponible sous forme de podcast hebdomadaire, diffusé par tous les principaux fournisseurs de podcasts. Tous les mardis, vous pourrez suivre les dernières nouvelles de l’astronomie et écouter des interviews d’astronomes et d’autres chercheurs travaillant à la découverte de la nature de l’Univers.
Couverture de la Corona
Lisez notre couverture quotidienne sur la façon dont l’industrie technologique réagit au coronavirus et abonnez-vous à notre bulletin hebdomadaire Coronavirus in Context.
Pour des conseils et des astuces sur le travail à distance, consultez nos articles sur les quarts de croissance ici ou suivez-nous sur Twitter.
