La découverte d'une usine à étoiles surchauffée qui forme des étoiles 180 fois plus vite que notre propre Voie lactée pourrait aider à résoudre une énigme de longue date sur la croissance si rapide des galaxies dans l'univers primitif.
Les astronomes ont découvert un type extrême et inconnu d'usine à étoiles en prenant la température d'une galaxie lointaine brillant intensément dans la poussière cosmique surchauffée.
Les premières générations d'étoiles se sont formées dans des conditions très différentes de celles que nous pouvons observer aujourd'hui dans l'univers proche. C'est pourquoi les nouvelles recherches publiées dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society est tellement fascinant.
Les experts étudient ces différences à l’aide de télescopes puissants tels que le télescope ALMA, capables de détecter des galaxies si lointaines que leur lumière a mis des milliards d’années à nous parvenir.
Dans le cadre de cette étude, une équipe internationale d'astronomes dirigée par le chercheur postdoctoral Tom Bakx, de l'Université de technologie Chalmers en Suède, a mesuré la température de l'une des usines à étoiles connues les plus éloignées.
La galaxie, connue sous le nom de Y1, est si lointaine que sa lumière a mis plus de 13 milliards d’années à nous parvenir. Connu sous son numéro de catalogue MACS0416_Y1, il se trouve si loin de la Terre que sa lumière est étendue par l'expansion de l'univers ; les astronomes appellent sa distance redshift 8.3. Elle a été découverte derrière un amas de galaxies appelé MACS0416, lui-même situé à seulement 4 milliards d'années-lumière, en direction de la constellation de l'Eridan, le Fleuve.
« Nous revenons à une époque où l'univers produisait des étoiles beaucoup plus rapidement qu'aujourd'hui », a déclaré Bakx. « Des observations précédentes ont révélé la présence de poussière dans cette galaxie, ce qui en fait la plus éloignée où nous ayons jamais détecté directement la lumière d'une poussière incandescente.
« Cela nous a fait soupçonner que cette galaxie pourrait gérer une sorte d'usine à étoiles surchauffée. Pour être sûr, nous avons décidé de mesurer sa température. »
Les étoiles comme notre soleil sont forgées dans d’énormes nuages de gaz denses dans l’espace. La nébuleuse d'Orion et la nébuleuse de la Carène sont deux exemples de telles usines à étoiles. Ils brillent de mille feux dans le ciel nocturne, alimentés par leurs étoiles les plus jeunes et les plus massives, qui éclairent des nuages de gaz et de poussière de nombreuses couleurs différentes.
À des longueurs d’onde plus longues que ce que l’œil humain peut voir, les usines à étoiles brillent de mille feux grâce à un grand nombre de minuscules grains de poussière cosmique, chauffés par la lumière des étoiles.
Pour pouvoir sonder la température de la galaxie, les scientifiques avaient besoin de la sensibilité supérieure d'ALMA. L'emplacement sec et à haute altitude d'ALMA, l'un des plus grands télescopes au monde, a permis d'imager la galaxie avec la bonne couleur, à une longueur d'onde de 0,44 millimètre, à l'aide de son instrument Band 9.
« À des longueurs d'onde comme celle-ci, la galaxie est éclairée par des nuages de grains de poussière brillants. Lorsque nous avons vu à quel point cette galaxie brille par rapport à d'autres longueurs d'onde, nous avons immédiatement su que nous regardions quelque chose de vraiment spécial », a ajouté Bakx.
La détection a montré que la poussière de la galaxie brillait à une température de 90 Kelvin, soit environ -180°C.
« La température est certainement froide comparée à la poussière domestique sur Terre, mais elle est beaucoup plus chaude que dans toute autre galaxie comparable que nous avons vue », a déclaré le co-chercheur Yoichi Tamura, astronome à l'Université de Nagoya au Japon.
« Cela a confirmé qu'il s'agit bien d'une usine à étoiles extrême. Même si c'est la première fois que nous voyons une galaxie comme celle-ci, nous pensons qu'il pourrait y en avoir bien d'autres. Les usines à étoiles comme Y1 auraient pu être courantes dans l'univers primitif. »
Y1 fabrique des étoiles à un rythme extrême de plus de 180 masses solaires par an, un rythme insoutenable qui ne peut pas durer longtemps à l'échelle cosmologique. En moyenne, notre galaxie, la Voie Lactée, ne crée qu’environ une masse solaire par an.
Mais les scientifiques soupçonnent que de brèves explosions cachées de formation d’étoiles, comme celles observées dans Y1, pourraient avoir été courantes dans l’univers primitif.
« Nous ne savons pas à quel point de telles phases pourraient être courantes dans l'univers primitif, c'est pourquoi nous souhaitons à l'avenir rechercher davantage d'exemples d'usines à étoiles comme celle-ci. Nous prévoyons également d'utiliser les capacités haute résolution d'ALMA pour examiner de plus près le fonctionnement de cette galaxie », a déclaré Bakx.
Son équipe pense que la galaxie Y1 pourrait aider à résoudre un autre mystère cosmique. Des études antérieures ont montré que les galaxies de l’univers primitif semblent contenir beaucoup plus de poussière que ce que leurs étoiles auraient pu produire pendant le court laps de temps où elles ont brillé.
Les astronomes ont été intrigués par cela, mais la température inhabituelle de Y1 laisse entrevoir une solution.
« Les galaxies du premier univers semblent trop jeunes pour la quantité de poussière qu'elles contiennent. C'est étrange, car elles n'ont pas assez d'étoiles anciennes, autour desquelles la plupart des grains de poussière sont créés », a déclaré Laura Sommovigo, chercheuse du Flatiron Institute et de l'Université de Columbia aux États-Unis.
« Mais une petite quantité de poussière chaude peut être aussi brillante que de grandes quantités de poussière froide, et c'est exactement ce que nous observons en Y1. Même si ces galaxies sont encore jeunes et ne contiennent pas encore beaucoup d'éléments lourds ou de poussière, ce qu'elles contiennent est à la fois chaud et brillant. »
