Il y a longtemps, très longtemps, les galaxies étaient très fécondes; ils ont donné naissance à des étoiles à un rythme au moins dix fois supérieur à ce que nous voyons aujourd'hui.
Pourquoi? Y avait-il plus de choses à l'époque, pour faire des étoiles? Ou les galaxies étaient-elles alors plus efficaces pour la fabrication d'étoiles? Ou autre chose??
Le Dr Linda Tacconi, du Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik d'Allemagne, a dirigé une équipe internationale d'astronomes pour savoir pourquoi ... et la réponse semble être que les jeunes galaxies ont été remplies de gaz aux branchies.
«Nous avons pu, pour la première fois, détecter et imager le gaz moléculaire froid dans des galaxies normales formant des étoiles, qui sont représentatives des populations de galaxies massives typiques peu de temps après le Big Bang», a déclaré le Dr Tacconi.
Les observations difficiles donnent le premier aperçu de la façon dont les galaxies, ou plus précisément le gaz froid dans ces galaxies, ressemblaient à seulement 3 à 5 milliards d'années après le Big Bang (équivalent à un décalage vers le rouge cosmologique z ~ 2 à z ~ 1). À cet âge, les galaxies semblent avoir formé des étoiles plus ou moins en continu avec au moins dix fois la vitesse observée dans des systèmes de masse similaires dans l'Univers local.
Il est maintenant raisonnablement bien établi que les galaxies se sont formées à partir de proto-galaxies, qui elles-mêmes se sont formées en surdensité locale, dominées par de la matière noire froide - des halos de matière noire - où l'hydrogène et l'hélium nouvellement neutres se sont rassemblés et refroidis. Grâce à des collisions et des fusions, et à une accumulation de gaz en cours, les proto-galaxies ont formé de jeunes galaxies, quelques milliards d'années après le Big Bang - en bref, une formation hiérarchique.
Des observations détaillées du gaz froid, de sa distribution et de sa dynamique jouent un rôle clé dans le démêlage des mécanismes complexes responsables de la transformation des premières proto-galaxies en galaxies modernes, comme la Voie lactée. Une étude majeure sur les galaxies lointaines et lumineuses formant des étoiles à l'interféromètre millimétrique du Plateau de Bure a maintenant permis une percée en jetant un regard direct sur la «nourriture» de la formation d'étoiles. L'étude a profité des avancées récentes majeures de la sensibilité des radiomètres de l'observatoire pour effectuer la première étude systématique des propriétés des gaz froids (tracées par une ligne de rotation de la molécule de monoxyde de carbone) des galaxies massives normales lorsque l'Univers était à 40% ( z = 1,2) et 24% (z = 2,3) de son âge actuel. Les observations précédentes étaient largement limitées à des objets rares et très lumineux, y compris les fusions de galaxies et les quasars. Au lieu de cela, la nouvelle étude trace des galaxies massives formant des étoiles représentatives de la population de galaxies «normale» moyenne dans cette gamme de masse et de décalage vers le rouge.
«Lorsque nous avons commencé le programme il y a environ un an», explique le Dr Tacconi, «nous ne pouvions pas être sûrs de détecter quoi que ce soit. Mais les observations ont réussi au-delà de nos espoirs les plus optimistes. Nous avons pu démontrer que les galaxies normales massives à z ~ 1,2 et z ~ 2,3 avaient cinq à dix fois plus de gaz que ce que nous voyons dans l'Univers local. Étant donné que ces galaxies formaient du gaz à un rythme élevé sur de longues périodes de temps, cela signifie que le gaz doit avoir été continuellement reconstitué par accrétion des halos de matière noire, en excellent accord avec les récents travaux théoriques. »
Un autre résultat important de ces observations est les premières images résolues spatialement de la distribution des gaz froids et des mouvements dans plusieurs des galaxies. «Cette enquête a ouvert la porte à une toute nouvelle avenue d'étude de l'évolution des galaxies», explique Pierre Cox, directeur de l'IRAM. «C'est vraiment excitant et il y a encore beaucoup à venir.»
«Ces découvertes fascinantes nous fournissent des indices et des contraintes importants pour les modèles théoriques de prochaine génération que nous utiliserons pour étudier plus en détail les premières phases du développement des galaxies», explique Andreas Burkert, spécialiste de la formation des étoiles et de l'évolution des galaxies chez Germany's Excellence Univers de cluster. "Finalement, ces résultats aideront à comprendre l'origine et le développement de notre Voie lactée."
À propos de l'image EGS 1305123: Images optiques et millimétriques à résolution spatiale d'une galaxie massive typique à décalage vers le rouge z = 1,1 (5,5 milliards d'années après le Big Bang). L'image de gauche a été prise avec le télescope spatial Hubble dans les bandes optiques V et I, dans le cadre du levé AEGIS des galaxies lointaines. L'image de droite est une superposition de l'émission de CO 3-2 observée avec le PdBI (couleurs rouge / jaune) superposé à l'image I (gris). Pour la première fois, ces observations montrent clairement que l'émission de raie moléculaire et la lumière optique des étoiles massives tracent un disque rotatif massif de diamètre ~ 60 000 années-lumière. Ce disque est de taille et de structure similaires à celles des galaxies à disques z ~ 0, comme la Voie lactée. Cependant, la masse de gaz froid dans ce disque est d'environ un ordre de grandeur plus grande que dans les galaxies à disques z ~ 0 typiques. Cela explique pourquoi des galaxies à z élevé peuvent se former en continu à environ dix fois le taux de galaxies z à 0 typiques.
Sources: Institut Max Planck de physique extraterrestre, Tacconi et al. (2010), Nature 463, 781 (préimpression: arXiv: 1002.2149)
