Des chercheurs de l’Université de technologie Chalmers ont découvert de nouvelles connaissances sur deux galaxies du premier univers, en observant diverses molécules et en éclairant les processus de formation d’étoiles de ces galaxies lointaines grâce à des observations avancées au télescope. Crédit : Issues.fr.com
Une étude révolutionnaire menée par des scientifiques de l’Université Chalmers révèle des détails moléculaires sans précédent dans deux galaxies du premier univers, faisant ainsi progresser notre compréhension de leurs activités de formation d’étoiles.
Deux galaxies du premier univers, qui contiennent des usines à étoiles extrêmement productives, ont été étudiées par une équipe de scientifiques dirigée par Université de technologie Chalmers en Suède. En utilisant de puissants télescopes pour diviser la lumière des galaxies en couleurs individuelles, les scientifiques ont été étonnés de découvrir la lumière de nombreuses molécules différentes – plus que jamais auparavant à de telles distances. Des études comme celle-ci pourraient révolutionner notre compréhension de la vie des galaxies les plus actives lorsque l’univers était jeune, estiment les chercheurs.
Dévoiler la nature des premières galaxies
Lorsque l’univers était jeune, les galaxies étaient très différentes des spirales majestueuses d’aujourd’hui, pleines de soleils doucement brillants et de nuages de gaz colorés. De nouvelles étoiles naissaient, à un rythme des centaines de fois plus rapide que dans l’univers actuel. Cependant, la plupart de ces éléments étaient cachés derrière d’épaisses couches de poussière, ce qui rendait difficile pour les scientifiques de découvrir les secrets de ces usines stellaires – jusqu’à présent. En étudiant les galaxies les plus lointaines visibles avec de puissants télescopes, les astronomes peuvent avoir un aperçu de la façon dont ces usines ont réussi à créer autant d’étoiles.
La lumière provenant de nombreuses molécules différentes révèle les secrets d’usines stellaires lointaines. L’illustration montre des représentations des molécules trouvées dans la galaxie lointaine NCv1.143, superposées à une image d’une galaxie similaire dans l’univers proche – NGC 572 – prise en lumière visible par le télescope Hubble. Crédit : ESA/Hubble, NASA, L. Ho ; Jmol (molécules); R. Cumming (montage)
Dans une nouvelle étude, publiée le 14 décembre dans la revue Astronomie et astrophysiqueune équipe de scientifiques dirigée par l’astronome Chentao Yang de Chalmers, a utilisé les télescopes de NOEMA (réseau millimétrique étendu NOrthern) en France pour en savoir plus sur la façon dont ces premières usines à étoiles ont réussi à créer autant d’étoiles. Yang et ses collègues ont mesuré la lumière de deux galaxies lumineuses du premier univers – l’une d’elles classée comme quasar et toutes deux présentant des taux élevés de formation d’étoiles.
« Nous savions que ces galaxies étaient de prodigieuses usines à étoiles, peut-être parmi les plus grandes que l’univers ait jamais connues. Pour pouvoir comprendre leur fonctionnement, nous avons mesuré leur lumière à des longueurs d’onde de l’ordre du millimètre, dans l’espoir de recueillir de nouveaux indices », explique Chentao Yang.
Aperçus moléculaires des galaxies lointaines
Les mesures se sont révélées fructueuses au-delà des attentes des scientifiques. Dans la lumière qu’ils ont enregistrée dans les deux galaxies, ils ont identifié des traces de nombreux types différents de molécules. Du plus profond de ces galaxies, la lumière est émise dans de nombreuses longueurs d’onde différentes depuis les nuages de gaz et de poussière où naissent les nouvelles étoiles.
« C’est une incroyable explosion de couleurs, dans des nuances que l’œil humain ne peut pas voir. Mais en combinant nos observations avec nos connaissances en physique et en chimie, nous pouvons comprendre la signification des couleurs et voir les différences entre les différentes galaxies », explique Sergio Martín, astronome à ESO et conjointe ALMA Observatoire, Chili, et membre de l’équipe de recherche.
La lumière provenant de nombreuses molécules différentes révèle les secrets d’usines stellaires lointaines. L’illustration montre des représentations des molécules trouvées dans la galaxie lointaine APM 08279+5255, superposées à une image d’une galaxie similaire dans l’univers proche – IC 5063 – prise en lumière visible par le télescope Hubble. Ces deux galaxies ont en leur centre un trou noir supermassif actif. Crédit : NASA, ESA et WP Maksym (CfA) ; Jmol (molécules); R. Cumming (montage)
En analysant le spectre de chaque galaxie – les couleurs individuelles de leur lumière – les scientifiques ont pu identifier 13 molécules, dont plusieurs n’avaient jamais été observées auparavant dans des galaxies aussi lointaines. Chaque molécule donne des indices différents sur la température, la pression et la densité dans l’espace entre les étoiles, ainsi que sur la façon dont la lumière des étoiles, le rayonnement et la matière interagissent – fournissant ainsi de nouvelles informations clés sur les conditions physiques et chimiques de ces galaxies.
« Interpréter les signaux est un défi. Nous observons une partie du spectre électromagnétique difficile à observer dans les galaxies proches. Mais grâce à l’expansion de l’univers, la lumière des galaxies lointaines comme celles-ci est décalée vers des longueurs d’onde plus longues que nous pouvons voir avec les radiotélescopes observant dans l’échelle submillimétrique », explique Chentao Yang.
Plus comme une ville éclairée au néon qu’une nuit à la belle étoile
Les deux galaxies étudiées par l’équipe sont si éloignées que leur lumière met près de 13 milliards d’années pour nous parvenir.
« Observer ces galaxies ressemble moins à une nuit sous les étoiles qu’à voir une ville éclairée par des néons », explique Susanne Aalto, astronome de Chalmers et membre de l’équipe.
Les astronomes ont l’habitude de prendre des photos des usines à étoiles de notre galaxie, comme la nébuleuse d’Orion et la nébuleuse de la Carène, explique-t-elle.
« Dans ces deux galaxies lointaines, nous voyons plutôt des usines à étoiles plus grandes, plus brillantes, pleines de poussière et différentes à bien des égards. Les nébuleuses d’Orion et de la Carène sont éclairées grâce à la lumière ultraviolette des étoiles chaudes nouveau-nées. Dans ces deux galaxies lointaines, la lumière ultraviolette ne peut pas traverser les couches de poussière. Une grande partie de l’éclairage est plutôt due aux rayons cosmiques – des particules de haute énergie qui peuvent être créées par l’explosion d’étoiles ou proches d’un objet supermassif. trou noir», déclare Susanne Aalto.
Lumière provenant de deux galaxies lointaines montrant des signes de nombreuses molécules différentes. Les pics nets de ces graphiques, appelés raies spectrales, renseignent les astronomes sur les nuages de gaz qui émettent la lumière. L’axe horizontal montre à la fois la longueur d’onde et la fréquence de la lumière ; l’axe vertical montre la luminosité relative. Le spectre supérieur a été décalé vers le haut pour plus de clarté. En rouge, le graphique montre la galaxie NCv1.143 et en violet, APM 08279+5255. Crédit : Chentao Yang et al.
Le caractère unique des galaxies du premier univers
Bien que les galaxies comme ces deux-là soient rares, les scientifiques prévoient d’en étudier davantage, en utilisant à la fois NOEMA et son télescope jumeau encore plus grand, ALMA (le grand réseau millimétrique/submillimétrique d’Atacama) au Chili. Les deux télescopes sont sensibles à la lumière dont les longueurs d’onde sont d’environ un millimètre.
«Nos résultats montrent comment NOEMA, avec ses récepteurs à large bande et son puissant ordinateur corrélateur, a ouvert de nouvelles opportunités pour l’étude de galaxies extrêmes comme celles-ci dans le ciel nordique. Depuis l’hémisphère sud, les améliorations de sensibilité à large bande prévues par ALMA offriront des perspectives encore plus intéressantes. Les galaxies les plus remarquables de l’univers primitif sont enfin capables de raconter leur histoire à travers leurs molécules », explique Pierre Cox, astronome au CNRS et Sorbonne Université, France.
En savoir plus sur les résultats de la recherche
Plus d’une centaine de molécules différentes ont été détectées dans l’espace interstellaire. Dans cette étude, les astronomes ont identifié des molécules de monoxyde de carbone (CO), le radical cyano (CN), le radical éthynyle (CCH), le cyanure d’hydrogène (HCN), le cation formyle (HCO+), l’isocyanure d’hydrogène (HNC), le monosulfure de carbone. (CS), eau (H2O), l’ion hydronium (H3O+), oxyde nitrique (NO), diazénylium (N2H+), le radical méthylidyne (CH) et le cyclopropénylidène (cC3H2). Plusieurs d’entre eux (CH, CCH, cC3H2N2H+ et H3O+) n’ont jamais été observés à d’aussi grandes distances.
Les deux galaxies étudiées portent des numéros de catalogue APM 08279+5255 et NCv1.143. Des études antérieures ont montré qu’ils sont si éloignés que leur lumière se dirige vers nous depuis près de 13 milliards d’années, correspondant à des redshifts de 3,911 et 3,565, respectivement. Redshift signifie que l’expansion de l’univers étend la lumière des galaxies lointaines vers des longueurs d’onde plus longues, qui peuvent être observées avec des radiotélescopes.
Malgré leur distance, les galaxies brillent brillamment aux longueurs d’onde radio. Leurs signaux sont amplifiés grâce aux amas d’autres galaxies qui se trouvent le long du trajet de la lumière – un effet connu sous le nom de lentille gravitationnelle. L’une des galaxies, APM 08279+5255, est également un quasar, une galaxie dont le centre brille de mille feux, des ondes radio aux rayons X, en raison de la matière tourbillonnant autour d’un trou noir supermassif. NCv1.143 peut également contenir un trou noir central.
En savoir plus sur le groupe de recherche :
L’équipe est composée de : Chentao Yang (Université de technologie Chalmers, Suède), Alain Omont (CNRS et Sorbonne Université, France), Sergio Martín (ESO et Joint ALMA Observatory, Chili), Thomas G. Bisbas (Laboratoire du Zhejiang, Chine) , Pierre Cox (CNRS et Sorbonne Université, France), Alexandre Beelen (Aix Marseille Université, France), Eduardo González-Alfonso (Université d’Alcalá, Espagne), Raphaël Gavazzi (Aix Marseille Université), Susanne Aalto (Université de Technologie Chalmers) , Paola Andreani (ESO), Cecilia Ceccarelli (Université Grenoble Alpes, CNRS), Yu Gao (Université de Xiamen, Chine), Mark Gorski (Université de technologie Chalmers), Michel Guélin (IRAM, France), Hai Fu (Université de l’IowaUSA), Rob J. Ivison (ESO, Macquarie University, Dublin IAS, University of Edinburgh), Kirsten K. Knudsen (Chalmers University of Technology), Matthew Lehnert (Centre de Recherche Astrophysique de Lyon, CRAL, France), Hugo Messias (ESO et Joint ALMA Observatory), Sebastien Muller (Université de technologie Chalmers), Roberto Neri (IRAM), Dominik Riechers (Universität zu Köln), Paul van der Werf (Université de Leiden, Pays-Bas) et Zhi-Yu Zhang (Université de Nanjing, Chine).
En savoir plus sur NOEMA :
NOEMA, le Northern Extended Millimeter Array, est l’observatoire millimétrique le plus puissant de l’hémisphère Nord, situé à 2 500 mètres d’altitude sur le plateau de Bure dans les Alpes françaises et géré par l’IRAM. Il se compose d’un réseau de 12 antennes individuelles de 15 mètres. Lors des observations, les antennes fonctionnent comme un seul télescope en utilisant une technique appelée interférométrie.
