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A detailed look at emerging galaxies

By pushing the largest telescopes to their limits, an international team of astronomers involving French researchers from the Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (CNRS / Aix-Marseille University) and the Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie of Toulouse (CNRS / University of Toulouse Paul Sabatier) has discovered a population of small nascent galaxies at a distance of more than 11 billion light years, which gives us valuable information about the early stages of galaxy formation. Although rare, these galaxies reveal with unprecedented detail the extreme physical conditions that existed when the first galaxies formed just after the Big Bang. The article was published in Nature Astronomy on March 2, 2017.

Right Photo : le Très Grand Télescope (VLT) de l'ESO. Copyright G. Hüdepohl, ESO

La naissance et les premiers instants de l’évolution des galaxies – comme notre Voie Lactée – dans les quelques centaines de millions d’années après le Big Bang est encore largement inaccessible aux moyens d’observation actuels. Ces dernières décennies, des galaxies ont pu être observées jusqu’à l’époque dite des « Ages Sombres », dans les 700 premiers millions d’années, lorsque l’univers était rempli d’un nuage d’hydrogène dense. Ces premières galaxies sont très faibles et enfouies dans un brouillard de gaz. Il est de ce fait très difficile de les observer à partir des observatoires actuels, et leur naissance et premières étapes d’assemblage n’ont jamais été observées en détail.

Pour identifier et étudier les propriétés de galaxies nouvellement formées, une équipe internationale a suivi une approche différente présentée dans une nouvelle étude publiée dans le numéro de mars de la revue Nature Astronomy.  De fait, de nouvelles galaxies continuent de se former bien après les « Ages Sombres », et cette nouvelle étude a permis d’identifier des galaxies naissantes observées plus tard dans la vie de l’univers, environ un milliard d’années après les « Ages Sombres », quand l’univers n’avait cependant que 5% de son âge actuel. Etant malgré tout un peu plus proches de nous et sorties du brouillard dans lequel elles baignaient précédemment, ces galaxies sont plus faciles à étudier en détail ce qui a permis à cette équipe d’observer toutes les propriétés des galaxies dans leurs premiers instants. 

Cette découverte a nécessité un important effort d’observation, coordonné dans le relevé VIMOS Ultra-Deep Survey (VUDS), le plus important relevé de galaxies à ces distances conduit avec le Very Large Telescope (VLT) de l’Observatoire Européen Austral au Chili. C’est notamment grâce à la spectroscopie très sensible obtenue avec le spectrographe VIMOS au VLT, complétée par des images du télescope spatial Hubble (NASA-ESA), que l’équipe a pu étudier les propriétés de ces « enfants galaxies » avec des détails sans précédent.

« Pour la première fois nous pouvons observer une population de galaxies extrêmement jeunes, présentant toutes les propriétés attendues des premières galaxies beaucoup plus tôt dans l’univers. Nous pouvons les observer avec des détails sans équivalent », affirme Ricardo Amorin de l’Observatoire astronomique de Rome (INAF), et travaillant maintenant à l’université de Cambridge (UK). 

Les spectres obtenus avec VIMOS mettent en évidence que ces galaxies sont très riches en gaz ionisé, « avec très peu de poussières et d’éléments dit métalliques, comme le Carbone et l’Oxygène, qui sont produits par les premières étoiles massives dans une galaxie et dispersés très tôt lorsque ces étoiles meurent », précise Enrique Perez-Montero de l’Institut d’Astrophysique d’Andalousie, co-auteur de l’article. Ces étoiles très chaudes illuminent (ionisent) le gaz environnant avant de mourir en supernovæ dans une gigantesque explosion produisant des écoulements de gaz à grande échelle qui entrainent le gaz et les éléments métalliques. Les auteurs proposent que ce mécanisme pourrait expliquer comment leurs analogues primitifs ont pollué l’univers avec ces éléments métalliques et ont nettoyé leur environnement de gaz, contribuant à la fin des « Ages Sombres ».

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Les galaxies nouvellement formées sont identifiées a partir d'images profondes (à gauche et en haut à droite, images du télescope spatial Hubble, crédit NASA-ESA), et leur distance et composition chimique sont mesurées avec le spectrographe VIMOS sur le télescope VLT de l'Observatoire Européen Austral (en bas à droite) Crédit: collaboration VUDS.

Adriano Fontana de l’Observatoire de Rome (INAF), et co-auteur de l’étude, explique : « Nous observons ces galaxies lors de ce qui semble être leur premier épisode de formation massive d’étoiles, ce qui les rend très lumineuses ». Olivier Le Fèvre, du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (Aix-Marseille Université et CNRS) et responsable scientifique du programme VUDS, ajoute : « nous avons pu trouver ces galaxies grâce aux observations très profondes d’un échantillon sans précédent de plus de deux mille galaxies. Les images du télescope spatial Hubble montrent des galaxies environ 30 fois plus petites et 100 fois moins massives que notre Voie Lactée, avec des formes compactes et irrégulières se présentant quelques fois en paires de galaxies en coalescence ». 

Les galaxies découvertes dans cette étude éclairent sous un nouvel angle le processus encore largement inconnu de la formation des premières galaxies. Les méthodes mises en œuvre préparent à une meilleure interprétation des données qui seront obtenues avec le futur télescope spatial James Webb (JWST, NASA-ESA-CSA) qui sera lancé de Kourou fin 2018. Une époque excitante et potentiellement révolutionnaire de la cosmologie observationnelle et de l’étude de la formation des galaxies vient de commencer.

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  • Thierry Contini, thierry.contini@irap.omp.eu
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