Une équipe de recherche dirigée par Shuo Huang (Naoj et l'Université Nagoya) a observé une galaxie en spirale barred massive et extrêmement active dans l'univers précoce avec Alma et le télescope spatial James Webb. Ils ont constaté que par rapport aux galaxies modernes, cette galaxie monstre présente des similitudes importantes de forme et des différences dans le mouvement du gaz.
Cette découverte améliore notre compréhension de la façon dont les galaxies en spirale barrées, comme notre propre voie lactée, grandissent et évoluent. L'étude est publiée dans la revue Nature.
Dans le début de l'univers, il y a plus de 10 milliards d'années, de nombreuses galaxies monstres étaient en train de former des étoiles à un rythme qui est plus de 100 fois plus rapide que celle de la Voie lactée. Bien qu'il y ait quelques galaxies qui subissent une formation d'étoiles à un rythme similaire même dans l'univers actuel, presque toutes sont en collision ou en fusionnant des galaxies.
Sur cette base, les scientifiques ont supposé que de telles rafales intenses de formation d'étoiles dans les galaxies monstres sont également causées par un afflux de gaz substantiel dans leurs centres en raison de collisions de galaxies ou de fusions, et qu'ils évoluent en galaxies elliptiques géantes une fois que le gaz est épuisé.
Les galaxies de monstres sont loin de la Terre et obscurcient par des quantités massives de poussière générées par une formation d'étoiles intenses, ce qui les rend difficiles à observer aux longueurs d'onde optiques. Jusqu'à récemment, leur forme et le mécanisme (processus physique) qui entraînent de telles éclats de formation d'étoiles sont restés des questions sans réponse.
Cependant, les récentes observations d'imagerie infrarouge avec le télescope spatial James Webb ont découvert des galaxies de monstres à la poussière, révélant l'existence de nombreuses galaxies de monstres avec une structure disque remarquable. Cela a suscité une nouvelle question: pourquoi les galaxies monstres qui semblent être des galaxies disques ordinaires connaissent des éclats de formation d'étoiles aussi intenses?
Une équipe de recherche dirigée par Huang a ciblé une galaxie monstre avec une structure en spirale barrée dans l'univers il y a 11,1 milliards d'années. La galaxie appelée J0107A, située à un décalage vers le rouge de Z = 2,467, a été trouvé fortuitement en 2014 lors de l'observation de la Galaxy VV114 fusionnée à proximité.
Le télescope spatial de James Webb, des images proche infrarouge de VV114, publiée en 2023, a révélé que J0107A est un exemple exceptionnellement massif d'une galaxie monstre, avec une masse plus de dix fois celle de la voie lactée et un taux de formation d'étoiles environ 300 fois celle de la voie laiteuse.
Encore plus surprenant, J0107A a une structure en spirale barrée parfaite, l'une des plus grandes et des plus distinctes de toute galaxie de cette époque cosmique. La forme ressemble plus aux galaxies en spirale barrée modernes que toutes les autres galaxies monstres précédemment observées.
Bien que plus d'informations sur la cinématique des gaz soient nécessaires pour explorer les facteurs de la formation d'étoiles intenses de J0107A, les observations spectroscopiques d'une galaxie couverte de poussière sont extrêmement difficiles, même avec le télescope spatial James Webb.
L'équipe de recherche a ensuite utilisé ALMA pour observer les lignes d'émission de monoxyde de carbone et d'atomes de carbone neutres et a découvert que J0107A ressemble étroitement aux galaxies en spirale marquées modernes, telles que la voie laiteuse, en termes de forme de sa structure de barre ainsi que la distribution et le mouvement du gaz associé. Mais l'équipe a également constaté que si la proportion de gaz dans la structure de la barre d'une galaxie moderne est inférieure à 10% de la masse totale, celle de J0107A est très élevée à environ 50%.
Les données montrent que la structure de la barre de J0107A, qui se compose d'étoiles et de gaz avec une masse bien supérieure à celle des galaxies modernes, agite le disque, créant un débit de gaz à une vitesse de plusieurs centaines de kilomètres par seconde sur un rayon de 20 000 années-lumière autour du centre solaire.
Une partie de ce gaz tombe au centre de la galaxie, entraînant une formation d'étoiles intense. Aucune étude théorique antérieure de la formation de la galaxie n'a prédit l'existence d'une galaxie monstre avec une telle structure de barre.
Il s'agit de la première observation directe réussie d'une explosion de formation d'étoiles induite par l'apport de gaz à partir d'une structure de bar dans l'univers précoce. Les théories conventionnelles de la formation et de l'évolution de la galaxie des monstres supposent que la formation intense des étoiles se produit en raison de collisions et de fusions galactiques, ou d'instabilité gravitationnelle sur leurs disques, les transformant par la suite en galaxies elliptiques au cours des centaines de millions d'années.
Pendant ce temps, J0107A est supposé avoir développé une forme ressemblant à celle d'une galaxie en spirale barrée moderne, tout en conservant les propriétés physiques extrêmes d'une galaxie monstre, plus de centaines de millions d'années dans le début de l'univers seulement 2,6 milliards d'années après le Big Bang.
Les données détaillées sur la distribution des gaz et la cinématique obtenues à partir de cette observation fourniront des indices importants non seulement sur l'origine des galaxies monstres, mais aussi pour la recherche sur la formation et l'évolution des structures de bar dans d'autres galaxies, car nous assistons au processus de formation de la structure de la barre dans l'univers précoce.
Huang dit: « La quantité substantielle de gaz requise pour la croissance des galaxies géantes est fournie par des fusions galactiques ou des entrées du Web cosmique. Bien qu'il n'y ait aucun signe de fusion galactique, un grand disque de gaz a été détecté autour de J0107A.
« Ce disque de gaz a un diamètre d'environ 120 000 années-lumière, ce qui est le double du diamètre du corps principal de la galaxie visible comme des étoiles, et son mouvement suit grossièrement la galaxie elle-même. En fonction de cela, nous supposons qu'il a été créé à partir d'une grande quantité de gaz qui se déchaîne vers la galaxie à partir de la toile cosmique.
« Il s'agit d'une nouvelle image d'une galaxie de monstre, dans laquelle une galaxie de disque est formée à partir d'un flux de gaz à l'échelle cosmique, suivi de l'émergence d'une structure de bar pendant l'évolution galactique, conduisant à des flux de gaz à échelle galactique rapides et à des rafales de formation d'étoiles. Nous poursuivrons nos études observationnelles avec Alma pour y regarder plus loin. »
