Les astronomes trouvent le disque de Wolfe, une galaxie improbable, dans l’univers lointain

Les astronomes ont repéré une galaxie de disque massive, semblable à la nôtre, qui s’est formée il y a 12,5 milliards d’années lorsque notre univers vieux de 13,8 milliards d’années n’était que le dixième de son âge actuel. Mais selon ce que les scientifiques savent sur la formation des galaxies, celle-ci n’a rien à faire dans l’univers lointain.

Cette découverte remet en question la façon dont les astronomes pensent de la formation des galaxies dans le premier univers.

Il est connu sous le nom de Galaxy DLA0817g, mais les astronomes l’ont surnommé le disque Wolfe d’après le défunt astronome Arthur M. Wolfe, ancien conseiller doctoral de trois des quatre auteurs de l’étude. Il représente la galaxie à disque rotatif la plus éloignée qu’ils aient jamais observée, grâce au réseau de télescopes Atacama Large Millimeter / submillimeter au Chili appelé ALMA.

Selon leurs observations, le disque de la galaxie a une masse de 70 milliards de fois celle de notre soleil. Il tourne également à 170 miles par seconde, ce qui est similaire à notre galaxie de la Voie lactée. Mais des galaxies avec des disques stables et bien formés, comme la Voie lactée, se sont formées progressivement et sont apparues plus tard dans la chronologie de l’univers, certaines datant de 6 milliards d’années après le Big Bang.

Dans les premiers jours après le Big Bang, l’univers était en grande partie une ardoise vierge. Finalement, cela a été suivi d’une formation de galaxies qui était assez désordonnée. De petites galaxies ont fusionné et se sont écrasées ensemble avec des amas de gaz chauds.

« La plupart des galaxies que nous trouvons au début de l’univers ressemblent à des épaves de train parce qu’elles ont subi une fusion cohérente et souvent » violente «  », a déclaré Marcel Neeleman, auteur principal de l’étude et chercheur postdoctoral au Max Planck Institute for Astronomy à Heidelberg, en Allemagne, dans un déclaration. «Ces fusions à chaud rendent difficile la formation de disques rotatifs à froid bien ordonnés comme nous l’observons dans notre univers actuel.»

L’étude publiée cette semaine dans le journal Nature.

Alors, comment une galaxie à disque rotatif bien formée est-elle apparue pendant cette période turbulente? Cette galaxie s’est formée et s’est développée, ont conclu les chercheurs, d’une manière différente, connue sous le nom d’accrétion en mode froid.

Une grande partie de ce que les astronomes savent de la formation des galaxies est basée sur la hiérarchie. Au début, les structures halo-like de la matière noire, une grande composante invisible de l’univers connue par son effet sur la matière environnante, ont attiré du gaz. Les fusions ont créé quelque chose de plus grand où la formation d’étoiles était possible, et finalement, une galaxie est née.

Le gaz aspiré par les halos de matière noire était chauffé par les collisions, et il formerait un disque une fois refroidi – ce qui pourrait se produire sur des milliards d’années.

BRASS FROID

Mais dans le scénario froid, un gaz beaucoup plus froid est aspiré dans une nouvelle galaxie et permet une formation plus rapide d’un disque.

« Nous pensons que le disque Wolfe s’est développé principalement grâce à l’accumulation constante de gaz froid », a déclaré J. Xavier Prochaska, co-auteur de l’étude et professeur d’astronomie et d’astrophysique à l’Université de Californie à Santa Cruz, dans un communiqué. « Pourtant, une des questions qui reste est de savoir comment assembler une si grande masse de gaz tout en maintenant un disque rotatif relativement stable. »

Les chercheurs ont également utilisé des données du télescope spatial Hubble et du très grand réseau d’antennes radio Karl G. Jansky de la National Science Foundation au Nouveau-Mexique pour comprendre quel type de formation d’étoiles se produisait dans la galaxie.

« Le taux de formation d’étoiles dans le disque de Wolfe est au moins 10 fois plus élevé que dans notre propre galaxie », a expliqué Prochaska. « Ce doit être l’une des galaxies à disques les plus productives de l’univers primitif. »

Neeleman et ses collègues ont repéré le disque de Wolfe en utilisant ALMA en 2017 lorsque la lumière d’un quasar a traversé l’hydrogène gazeux autour de la galaxie et l’a révélé. Un quasar, qui ressemble un peu à une étoile à travers un télescope, est en fait un objet distant qui émet une grande quantité d’énergie probablement alimentée par la matière tombant sur un trou noir au centre d’une galaxie. La lumière les a aidés à identifier cette galaxie normale, plutôt que la lumière directe émise par des galaxies extrêmement brillantes.

Sinon, les galaxies éloignées sont difficiles à observer car elles sont si faibles. Mais cette «absorption» de la méthode de la lumière à l’aide de quasars peut se produire lorsque les télescopes, la galaxie et le quasar sont alignés, ce qui est rare – à moins que des galaxies comme celle-ci ne soient plus courantes dans le premier univers.

« Le fait que nous ayons trouvé le disque de Wolfe en utilisant cette méthode, nous indique qu’il appartient à la population normale de galaxies présentes à une époque précoce », a déclaré Neeleman. « Lorsque nos dernières observations avec ALMA ont montré de façon surprenante qu’il tournait, nous avons réalisé que les premières galaxies à disque rotatif ne sont pas aussi rares que nous le pensions et qu’il devrait y en avoir beaucoup plus. Grâce à ALMA, nous avons maintenant des preuves sans ambiguïté qu’ils se produisent dès 1,5 milliard d’années après le Big Bang. « 

De futures recherches et observations sont nécessaires pour comprendre à quel point cette méthode froide de formation des galaxies était courante dans l’univers primitif.