Le réseau cosmique nourrit les galaxies primitives

Les premières galaxies se sont formées 200 millions d’années après la naissance de l’univers. Elles ont accumulé la majeure partie des étoiles, des poussières et des métaux qui les composent lors d’une période située entre 1 et 3 milliards d’années après le Big Bang, une époque charnière pour comprendre la formation des galaxies. Les astronomes du Département d'astronomie et le consortium international d’astronomes du projet ALPINE ont étudié 118 galaxies de cette époque grâce au télescope ALMA établi sur les hauts plateaux chiliens d’Atacama. À travers huit publications jointes, dont quatre ont été réalisées principalement à l’UNIGE, les astrophysiciens ont réussi à remonter le temps de près de 13 milliards d’années pour déterminer la composition en gaz et poussière des galaxies. Leurs analyses, à lire dans le journal Astronomy & Astrophysic, démontrent que les galaxies primitives sont déjà matures, appuyant l’existence d’un réseau cosmique capable de les alimenter en ressources.

Une galaxie de l’univers primitif observée par le télescope ALMA. Elle est considérée comme déjà mature, car elle contient de grandes quantités de poussière (jaune) et de gaz (rouge).
© B. Saxton NRAO/AUI/NSF, ALMA (ESO/ NAOJ/NRAO), ALPINE team.

Pour comprendre comment les galaxies se forment, y compris notre voie lactée, l’idéal serait de pouvoir les suivre tout au long de leur vie, chose impossible. «Heureusement, nous pouvons les observer à différentes époques. En regardant très loin dans l’espace, il est possible de remonter le temps et de les étudier telles qu’elles étaient dans le passé. La période se situant entre 1 et 3 milliards d’années après le Big Bang est particulièrement intéressante, car elle correspond au pic de croissance des galaxies», indique Daniel Schaerer, astronome au Département d’astronomie de l’UNIGE.

L’acquis galactique

Les grandes galaxies, telles que notre voie lactée, Andromède et d’autres, ont atteint leur taille et masse grâce à des fusions avec d’autres galaxies. De plus, pour assurer leur croissance passée, elles ont dû recevoir du gaz supplémentaire de l’extérieur. Ce gaz est vraisemblablement présent dans le milieu intergalactique et il est transporté vers les galaxies grâce aux filaments cosmiques. En d’autres termes, les astronomes pensent que «l’histoire des galaxies est gouvernée par ce que nous appelons le réseau cosmique, une sorte d’écosystème galactique», précise Daniel Schaerer. Malgré l’acceptation de ce modèle théorique par les scientifiques, la présence de gaz dans le milieu intergalactique et l’existence de filaments cosmiques n’ont jamais pu être prouvées par des mesures concrètes.

Le gaz est donc un composant clé pour la croissance des galaxies. Le télescope ALMA a été spécialement conçu pour permettre son observation grâce à un système captant la lumière de l’infrarouge lointain. «Il s’agit d’un interféromètre de 66 antennes de 7 à 12 m de diamètre chacune, placé à 5000 mètres d’altitude sur un plateau chilien. Le grand nombre d’antennes permet de collecter le maximum de lumière», décrit Miroslava Dessauges-Zavadsky, en parlant de ce télescope unique au monde.

Excès de gaz

À travers huit études, les astrophysiciens internationaux du consortium ALPINE se sont rendu compte que les galaxies primitives contenaient beaucoup plus de gaz qu’attendu, une indication de leur développement précoce. «Certaines sont très grosses et quasiment toutes contiennent déjà des éléments lourds, tels que le carbone, dans le milieu interstellaire. C’est une indication que ces éléments ont été formés par des générations d’étoiles qui existaient avant 1 milliard d’années, car le carbone n’est pas généré lors du Big Bang», précise Daniel Schaerer.

Zoom sur les contributions genevoises

La quantification du gaz a été réalisée par une équipe du Département d'astronomie et fait l’objet d’une des huit publications. Ces travaux ont contribué à démontrer que les galaxies lointaines, et se trouvant par conséquent à un stade précoce de leur développement, ont beaucoup plus de gaz que les galaxies proches. Néanmoins, comme le gaz est consommé très rapidement et que les observations montrent une croissance des galaxies plus longue, les quantités de gaz observées ne sont pas suffisantes pour expliquer cette croissance. «Les galaxies doivent donc se réapprovisionner en gaz provenant du réseau cosmique», indique Miroslava Dessauges-Zavadsky, première auteure de cette étude.

Une autre étude menée par le Département a comparé les galaxies de notre époque (13,8 milliards d’années) à celles présentes 800 millions d’années après le Big Bang. Elle met en avant les simi- litudes de certaines propriétés des galaxies à travers les époques, comme le rapport entre l’émission de la raie du carbone et la quantité d’étoiles formées. L’étude démontre la constance de ces propriétés sur 13 milliards d’années, une information importante pour quantifier la croissance des galaxies à travers l’histoire de l’Univers.

L’analyse des poussières galactiques est l’objet de la troisième étude genevoise. Les chercheur/euses ont pu démontrer la présence de poussières dans 20% des galaxies primitives. «Ceci indique que ces galaxies sont plus matures que primitives et que des générations précédentes d’étoiles ont créé les éléments incorporés dans les poussières,» explique Pascal Oesch, investigateur principal de cette publication.

L’analyse des déplacements du gaz est au cœur de la quatrième étude faite à l’UNIGE. Les chercheur/euses ont pu démontrer que les éléments lourds tels que le carbone sont présents non seulement à l’intérieur, mais aussi à grande distance des galaxies et se déplacent à grande vitesse. «Ce gaz enrichi trace ainsi la présence d’importantes voies de circulation vers et probablement aussi en provenance de l’espace intergalactique. Cela étaye une fois de plus la thèse du réseau cosmique», conclut Daniel Schaerer.

 Articles :

• The ALPINE-ALMA [CII] survey: Circumgalactic medium pollution and gas mixing by tidal stripping in a merging system at z ∼ 4.57 [A&A - arXiv]

• The ALPINE-ALMA [CII] survey: Dust attenuation properties and obscured star formation at z ∼ 4.4–5.8 [A&A - arXiv]

• The ALPINE-ALMA [C II] survey: Molecular gas budget in the early Universe as traced by [C II] [A&A - arXiv]

• The ALPINE-ALMA [C II] survey: Little to no evolution in the [C II]–SFR relation over the last 13 Gyr [A&A - arXiv]