Une équipe internationale dirigée par Unige montre que les galaxies rouges et mortes ne peuvent être trouvées que 700 millions d'années après le Big Bang, indiquant que les galaxies cessent de former des étoiles plus tôt que prévu par les modèles.
Pendant longtemps, les scientifiques pensaient que seules des galaxies activement des étoiles devraient être observées dans l'univers très précoce. Le télescope spatial James Webb révèle maintenant que les galaxies ont cessé de former des stars plus tôt que prévu.
Une découverte récente d'une équipe internationale, dirigée par des astronomes de l'Université de Genève (UNIGE), approfondit la tension entre les modèles théoriques d'évolution cosmique et les observations réelles. Parmi des centaines de spectres obtenus avec les rubis du programme Webb, l'équipe a trouvé une galaxie record qui avait déjà cessé de former des étoiles pendant une époque où les galaxies se développent normalement très rapidement. L'étude est publiée dans Le journal astrophysique.
Dans l'univers précoce, une galaxie typique accuse le gaz du milieu intergalactique environnant et transforme ce gaz en étoiles. Ce processus augmente sa masse, conduisant à une accrétion de gaz encore plus efficace et à une formation d'étoiles accélérées. Cependant, les galaxies ne se développent pas indéfiniment, en raison d'un processus, les astronomes appellent la «trempe».
Dans l'univers local, environ la moitié des galaxies observées ont cessé de former des étoiles – elles ont éteint et cessé de grandir. Les astronomes les appellent des galaxies au repos, éteintes ou «rouges et mortes». Ils semblent rouges car ils ne contiennent plus de jeunes étoiles bleu vif – à part en plus petites étoiles rouges.
Une fraction particulièrement élevée de galaxies au repos se trouve parmi les galaxies massives, qui sont souvent observées comme ayant des morphologies elliptiques. Il faut normalement beaucoup de temps pour former de telles galaxies rouges et mortes, car elles doivent d'abord construire un grand nombre d'étoiles avant que le processus de formation d'étoiles ne s'arrête finalement. C'est toujours un puzzle majeur, ce qui provoque réellement la trempe dans les galaxies.
« Trouver les premiers exemples de galaxies de repos massives (MQG) dans l'univers précoce est essentielle car elle met en lumière leurs mécanismes de formation possibles », explique Pascal Oesch, professeur agrégé au département d'astronomie de la Faculté des sciences de l'Unige et co-auteur du document. La chasse à de tels systèmes est donc un objectif majeur des astronomes depuis des années.
Observations en contradiction avec les attentes théoriques
Avec la technologie de progression, en particulier la spectroscopie proche infrarouge, les astronomes ont confirmé des galaxies de repos massives (MQG) à des temps cosmiques de plus en plus antérieurs. Leur abondance inférée a été difficile de se réconcilier avec des modèles théoriques de formation de galaxies, qui prédisent que ces systèmes devraient prendre plus de temps à former.
Avec le télescope spatial James Webb (JWST), cette tension a été poussée à un décalage vers le rouge de 5 (1,2 milliard d'années après le Big Bang), où plusieurs MQG ont été confirmés ces dernières années. La nouvelle étude dirigée par Unige révèle que ces galaxies se sont formées encore plus tôt et plus rapidement qu'on ne le pensait auparavant.
Dans le cycle JWST 2, les rubis du programme de grande région (The Red Inconnues: Bright Infrared Extragalactic Survey), l'un des plus grands programmes menés par l'Europe pour la recherche extragalactique utilisant l'instrument NIRSPEC, a obtenu des observations spectroscopiques de plusieurs milliers de galaxies, y compris des centaines de sources nouvelles à partir de données d'imagerie JWST.
Une galaxie «mort» de détenteur record
Parmi ces nouveaux spectres, les scientifiques ont identifié le MQG le plus éloigné trouvé à ce jour, avec un décalage vers le rouge spectroscopique de 7,29, seulement 700 millions d'années après le Big Bang. Le spectre NIRSPEC / Prism révèle une population étonnamment ancienne stellaire dans un si jeune univers. La modélisation détaillée du spectre et des données d'imagerie montre que la galaxie a formé une masse stellaire de plus de 10 milliards de masses solaires au cours des 600 premiers millions d'années après le Big Bang, avant de cesser rapidement la formation d'étoiles, confirmant ainsi sa nature au repos.
« La découverte de cette galaxie, nommée Rubies-Uds-QG-Z7, implique que les galaxies de repos massives au cours des premiers milliards d'années de l'univers sont plus de 100 fois plus abondantes que prévues par n'importe quel modèle à ce jour », explique Andrea Weibel, Ph.D. Étudiant du Département de l'astronomie de la Faculté des sciences de l'Unige et premier auteur du journal.
Cela, à son tour, suggère que les facteurs clés dans les modèles théoriques (par exemple, les effets des vents stellaires, et la force des sorties alimentées par la formation d'étoiles et les trous noirs massifs) peuvent devoir être revisités. Les galaxies sont mortes beaucoup plus tôt que ces modèles peuvent le prévoir.
Aperçu des noyaux des galaxies géantes
Enfin, la petite taille physique des rubis-uds-QG-Z7, mesurée à seulement ~ 650 années-lumière, implique une densité de masse stellaire élevée comparable aux densités centrales les plus élevées observées dans les galaxies au repos à des décalages rouges légèrement inférieurs (z ~ 2–5). Ces galaxies sont susceptibles d'évoluer vers les noyaux des galaxies elliptiques les plus anciennes et les plus massives de l'univers local.
« La découverte de rubis-uds-QG-Z7 fournit la première preuve solide que les centres de certains elliptiques massifs à proximité peuvent déjà être en place depuis les premiers centaines d'années de l'univers », conclut Anna de Graaff, chercheuse principale du programme RUMIE, chercheur postdoctoral de The Max Planck Institute for Astronomy in Heidelberg et deuxième auteur du journal.
