Les galaxies « mortes » ont mystérieusement manqué de carburant pour former des étoiles dans l’univers primitif

Amas galactiques MACS J1341. Crédit : Auteur principal : NASA, ESA, Katherine E. Whitaker (UMass), Traitement d’images : Joseph DePasquale (STScI)

Hubble découvre des galaxies primitives massives fonctionnant à vide

« Vivre vite, mourir jeune » est peut-être le mantra de six galaxies primitives massives « mortes » qui ont manqué de l’hydrogène gazeux froid nécessaire à la formation des étoiles au début de la vie de l’univers. Ces galaxies ont vécu des vies rapides et furieuses, créant leurs étoiles en un temps remarquablement court. Mais ensuite, il a littéralement manqué de gaz et a arrêté la formation d’étoiles. Sans plus de carburant pour la formation d’étoiles, ces galaxies se seraient vides. Pourquoi cela s’est-il produit si tôt est un mystère.

Nasa‘s Le télescope spatial Hubble, associé à la matrice large millimètre/mètre Atacama (Alma) dans le nord du Chili, ont trouvé ces étranges galaxies en regardant en arrière des milliards d’années jusqu’à l’apogée de la naissance des étoiles dans l’univers. Pour localiser des galaxies très éloignées, les scientifiques ont combiné la force de Hubble et ALMA avec des amas de galaxies de premier plan très massifs qui agissent comme des télescopes normaux. Grâce à un phénomène appelé lentille gravitationnelle forte, la gravité massive d’un amas géant de galaxies déforme l’espace, courbant et amplifiant la lumière des objets d’arrière-plan. Lorsqu’une galaxie primitive massive et très éloignée est positionnée derrière un tel amas, elle semble être considérablement étendue et agrandie, permettant aux astronomes d’étudier des détails qui seraient autrement impossibles à voir.

Galaxies à lentilles gravitationnelles REQUIEM

Ces images sont des composites du télescope spatial Hubble de la NASA et de l’Atacama Large Millimeter/Millimeter Array (ALMA). Les images remplies et attribuées montrent deux des six galaxies lointaines massives où les scientifiques ont découvert que la formation d’étoiles s’était arrêtée en raison de l’épuisement d’une source de carburant – l’hydrogène gazeux froid.
Hubble, avec ALMA, a trouvé ces étranges galaxies lorsqu’il a combiné des forces avec une « lentille naturelle » dans l’espace créée par des amas de galaxies massifs au premier plan. L’attraction gravitationnelle des amas étend et amplifie la lumière des galaxies d’arrière-plan dans un effet appelé lentille gravitationnelle. Ce phénomène permet aux astronomes d’utiliser des amas de galaxies massifs comme des loupes naturelles pour étudier des détails dans des galaxies lointaines qui seraient autrement impossibles à voir.
Le jaune trace la lueur de la lumière des étoiles. Le violet synthétique trace la poussière froide des notes ALMA. Cette poussière froide est utilisée comme indicateur du gaz hydrogène froid nécessaire à la formation des étoiles.
Même avec la sensibilité ALMA, les scientifiques ne détectent pas de poussière dans la plupart des six galaxies échantillonnées. Un exemple est le MRG-M1341, en haut à droite. Il apparaît déformé par les effets optiques du « fun mirror » des verres. En revanche, le point violet à gauche de la galaxie est un exemple de galaxie riche en poussière et en gaz.
Un exemple de détection de poussière froide d’ALMA est la galaxie MRG-M2129 en bas à droite. La galaxie ne contient que de la poussière et du gaz au centre. Cela indique que la formation d’étoiles peut s’être arrêtée de la périphérie à l’intérieur des terres.
Crédit : Auteur principal : NASA, ESA, Katherine E. Whitaker (UMass), Traitement d’images : Joseph DePasquale (STScI)

Lorsque l’univers avait environ 3 milliards d’années, soit seulement 20 % de son âge actuel, il a connu la période de naissance d’étoiles la plus prolifique de son histoire. Mais lorsque le télescope spatial Hubble de la NASA et le Large Millimeter/Submillimeter Atacama Array (ALMA) dans le nord du Chili se sont penchés sur les objets cosmiques de cette période, ils ont découvert quelque chose d’étrange : six galaxies primitives massives « mortes » qui manquaient d’hydrogène froid et de gaz nécessaires pour faire des étoiles.

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Sans plus de carburant pour la formation d’étoiles, ces galaxies fonctionnaient sur des terres vides. Les résultats ont été publiés dans la revue tempérer la nature.

« À ce stade de notre univers, toutes les galaxies devraient former beaucoup d’étoiles. C’est le point culminant de l’ère de la formation des étoiles », a expliqué l’auteur principal Kate Whitaker, professeur agrégé d’astronomie à l’Université du Massachusetts, Amherst. Whitaker est également professeur associé au Dawn Center Cosmic à Copenhague, Danemark « Alors, qu’est-il arrivé à tout le gaz froid dans ces galaxies si tôt ? »

Cette étude est un exemple classique de la cohérence entre les observations de Hubble et d’ALMA. Hubble a déterminé où se trouvent les étoiles dans les galaxies, montrant où elles se sont formées dans le passé. En découvrant de la poussière froide qui agit comme un proxy pour l’hydrogène gazeux froid, ALMA a montré aux astronomes où les étoiles pourraient se former à l’avenir s’il y a suffisamment de carburant.

Image de la boussole galactique REQUIEM

Les amas de galaxies MACS J1341 et MACS J2129. Crédit : Auteur principal : NASA, ESA, Katherine E. Whitaker (UMass), Traitement d’images : Joseph DePasquale (STScI)

Utilisation de télescopes naturels

L’étude de ces galaxies mortes précoces et lointaines faisait partie du programme bien nommé REQUIEM, qui signifie résolution des galaxies grossies QUIEscent à fort décalage vers le rouge. (Le décalage vers le rouge se produit lorsque la lumière est étirée par l’expansion de l’espace et semble se déplacer vers la partie rouge du spectre. Plus une galaxie est éloignée d’un observateur, plus elle apparaît rouge.)

L’équipe REQUIEM utilise des amas de galaxies de premier plan très massifs comme télescopes naturels. La gravité massive d’un amas de galaxies déforme l’espace, courbant et amplifiant la lumière des objets d’arrière-plan. Lorsqu’une galaxie primitive massive et très éloignée est positionnée derrière un tel amas, elle semble être considérablement étendue et agrandie, permettant aux astronomes d’étudier des détails qui seraient autrement impossibles à voir. C’est ce qu’on appelle la « lentille gravitationnelle forte ».

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Ce n’est qu’en combinant la résolution remarquable de Hubble et d’ALMA avec cette lentille puissante que l’équipe REQUIEM a pu comprendre la composition de ces six galaxies, qui sont apparues comme elles l’ont fait quelques milliards d’années seulement après le Big Bang.

« En utilisant une lentille gravitationnelle puissante comme un télescope normal, nous pouvons trouver les galaxies les plus éloignées, les plus massives et les premières à arrêter leur formation d’étoiles », a déclaré Whitaker. « J’aime y penser comme faire de la science dans les années 1930 ou 1940 – en utilisant de puissants télescopes spatiaux de nouvelle génération – mais aujourd’hui en combinant les capacités de Hubble et d’ALMA, qui sont améliorées par la lentille puissante. »

« Ensemble, REQUIEM a rassemblé le plus grand échantillon à ce jour de ces rares galaxies mortes à lentilles fortes dans l’univers primitif, et une lentille puissante est la clé ici », a déclaré Mohammad Akhchik, chercheur principal du programme d’observation Hubble. « Il amplifie la lumière sur toutes les longueurs d’onde afin qu’elle soit plus facile à détecter, et vous obtenez également une résolution spatiale plus élevée lorsque ces galaxies sont étendues dans le ciel. Vous pouvez essentiellement voir ce qu’il y a à l’intérieur avec des échelles physiques plus précises pour voir ce qui se passe. « 

Vivre vite mourir jeune

Ces types de galaxies mortes ne semblent pas se régénérer, même par le biais de fusions et d’accumulations secondaires ultérieures de galaxies et de gaz plus petits à proximité. Les choses qui dévorent autour d’eux ne sont pour la plupart que des « bouffées » de galaxies. Si les étoiles devaient être remodelées, Whitaker l’a décrit comme « une sorte de givre ». Après environ 11 milliards d’années dans l’univers actuel, on pense que ces galaxies auparavant compactes ont évolué pour être plus grandes mais toujours mortes en termes de nouvelle formation d’étoiles.

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Ces six galaxies ont vécu des vies rapides et furieuses, créant leurs étoiles en un temps remarquablement court. Pourquoi la formation d’étoiles a été arrêtée si tôt reste un mystère.

Whitaker suggère plusieurs explications possibles : Trou noir Au centre de la galaxie courir et chauffer tout le gaz ? Si c’est le cas, le gaz est peut-être toujours là, mais il fait chaud maintenant. Ou il aurait pu être expulsé et maintenant il est empêché de retourner dans la galaxie. Ou la galaxie a-t-elle simplement tout utilisé et le spectacle a-t-il été interrompu ? Ce sont quelques-unes des questions ouvertes que nous continuerons d’explorer avec de nouvelles observations à l’avenir. »

Référence : « Exhausted Reservoirs of Gas Lead to Massive Cooling of Galaxies in Early Universe » par Katherine E. Whitaker, Christina C. Williams, Lammy Mulla, Justin S. Spilker, Son Toft, Desika Narayanan, Alexandra Pope, Georgios E. Magdis, Peter J. Van Dokkum, Muhammad Achchik, Rachel Besanson, Gabriel B. . Brammer, Joel Lega, Alison Mann, Erica J. Nelson, Johan Richard, Camila Pacifici, Keren Sharon et Francesco Valentino, 22 septembre 2021, tempérer la nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03806-7

Le télescope spatial Hubble est un projet de collaboration internationale entre la NASA et l’Agence spatiale européenne (ESA). Le télescope est exploité par le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. Le Space Telescope Science Institute (STScI) à Baltimore, Maryland, mène des opérations scientifiques Hubble. STScI est exploité pour la NASA par le Consortium of Universities for Research in Astronomy, à Washington, DC

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