Publié le 2024-02-29. Une étude récente révèle la formation de galaxies géantes bien plus rapidement qu’on ne le pensait, remettant en question les modèles actuels de l’évolution de l’univers. L’analyse d’un amas galactique primitif, SPT2349-56, révèle une activité de formation d’étoiles exceptionnelle.
- Des galaxies géantes se sont formées seulement 1,4 milliard d’années après le Big Bang.
- L’étude porte sur l’amas galactique SPT2349-56, situé dans la constellation du Phénix.
- Ces galaxies produisent une nouvelle étoile toutes les 40 minutes, un rythme bien supérieur à celui de notre Voie lactée.
Des scientifiques de l’Institut Max Planck de radioastronomie (MPIfR) ont mis en évidence une accélération inattendue dans la formation des grandes structures cosmiques. Leur recherche, publiée dans The Astrophysical Journal, s’appuie sur l’observation approfondie du protocluster SPT2349-56, considéré comme l’un des amas galactiques les plus dynamiques jamais détectés dans l’hémisphère sud. Cette découverte apporte de nouveaux éléments de preuve sur la vitesse et l’ampleur de ces processus, ouvrant de nouvelles perspectives sur la dynamique et l’évolution de l’univers primitif.
L’un des aspects les plus frappants de cette étude est la reconstitution de l’origine commune des galaxies qui composent SPT2349-56. Nicolas Sulzenauer et Axel Weiss, les chercheurs à l’origine de cette étude, ont identifié un ensemble de quatre galaxies massives en interaction étroite, caractérisées par un taux de formation d’étoiles sans précédent : une nouvelle étoile naît toutes les 40 minutes. Ce rythme est exceptionnellement élevé, comparé à celui de la Voie lactée, où seulement trois ou quatre étoiles se forment chaque année.
Cette découverte a été rendue possible grâce aux capacités du Grand réseau millimétrique/submillimétrique Atacama (ALMA). Les observations ont révélé que l’accrétion de masse et la formation intense d’étoiles peuvent se produire sur des périodes étonnamment courtes.
Le comportement du matériau environnant est crucial pour comprendre ce phénomène. Les observations ont détecté d’énormes bras de marée s’étendant à des vitesses de 300 kilomètres par seconde et couvrant des zones plus vastes que notre Voie lactée. La luminosité aux longueurs d’onde submillimétriques a permis de mesurer avec précision le mouvement du gaz dans cette spirale éjectée gravitationnellement, comparable aux perles d’un collier entourant le noyau du protocluster, selon Sulzenauer.
Ce phénomène se traduit par un véritable « feu d’artifice cosmique », où la compression du gaz initial génère une luminosité exceptionnelle due, principalement, aux atomes de carbone ionisé excités par les ondes de choc.
Les chercheurs soulignent le lien entre ces bras et le destin de la structure : plus de 40 galaxies riches en gaz, dont 20 supplémentaires situées dans les zones extérieures, sont en cours de collision et de fusion accélérée. Selon l’équipe, ces épisodes colossaux d’intégration galactique permettront à la majorité d’être détruite et finalement transformée en une galaxie elliptique géante en moins de 300 millions d’années.
La rapidité de ce processus – qui se déroule dans une fraction infime de l’âge du cosmos, soit à peine 10 % de l’âge actuel – remet en question les hypothèses traditionnelles selon lesquelles les galaxies massives se seraient développées lentement grâce à des accumulations prolongées.
Des simulations numériques réalisées par Duncan MacIntyre et Joël Tsuchitori de l’Université de la Colombie-Britannique (UBC) ont permis aux auteurs de comparer leur objet d’étude avec des amas matures beaucoup plus tardifs.
Ces simulations confirment que différents types de structures, trouvées à différentes époques de l’univers, peuvent être liées par des processus de fusion hiérarchiques, mais qu’il existe des mécanismes différents et plus rapides pour la génération de certaines galaxies géantes. En outre, les travaux suggèrent que ces grandes fusions influencent la formation et la répartition des éléments lourds comme le carbone.
Axel Weiß souligne l’importance de cette découverte :
« SPT2349-56 détient le record de l’usine à étoiles la plus vigoureuse. »
Axel Weiß, Institut Max Planck de radioastronomie (MPIfR)
Les résultats révèlent également l’importance d’observations précises des poussières et gaz froids, puisque c’est dans ces composés que se déclenche l’effervescence de formation d’étoiles dans ces environnements précoces. Selon Sulzenauer, la séquence commence par le rapide découplage des régions les plus denses concernant l’expansion cosmique, qui conduit à l’assemblage de protoclusters entiers et au début d’une période de brillante activité stellaire et de fusions successives.
De ce modèle, il résulte que la coalescence de grands agrégats galactiques peut être exécutée en seulement quelques centaines de millions d’années, une comparaison directe avec le temps qu’il faut au Soleil pour orbiter une fois autour de la Voie lactée. Ce rythme vertigineux repense l’hypothèse traditionnelle d’une croissance sérielle et lente, postulant un effondrement gravitationnel de structures primitives et leur conversion rapide en amas dominés par une galaxie elliptique centrale.
Scott Chapman de l’Université Dalhousie souligne que, bien que ces résultats offrent de nouvelles perspectives sur l’assemblage rapide des galaxies elliptiques et l’importance des débris de marée, de nombreuses inconnues demeurent, notamment sur « les différentes interactions entre les chocs de fusion, l’échauffement des gaz lors de la croissance des galaxies elliptiques et l’importance des trous noirs supermassifs et son effet sur le carburant nécessaire à la formation des étoiles ». La complexité est évidente : de multiples mécanismes agissent simultanément et l’impact de l’activité des trous noirs, ainsi que les discontinuités dans l’approvisionnement en gaz, restent mal compris.
L’étude conclut que ce type de recherche réduit l’écart entre les vestiges de ces premiers conglomérats et les amas matures de l’univers proche, en vérifiant que bon nombre des processus décisifs se sont produits alors que l’univers avait à peine un dixième de son âge actuel. L’ouvrage démontre la richesse des informations disponibles grâce à l’étude détaillée des collisions galactiques à l’aube de l’univers et la pertinence d’instruments capables de détecter des émissions dans des bandes jusqu’alors peu explorées.