En analysant huit années de données combinées issues de plusieurs instruments, des astronomes ont découvert des galaxies observées dans l’Univers primordial qui grandissaient à une vitesse extrêmement rapide. Ces galaxies se révèlent étonnamment riches en éléments lourds pour cette époque cosmique, suggérant une croissance très accélérée. Elles présentent également des disques stellaires semblables à ceux de galaxies matures comme la Voie lactée.
Lorsque les premières galaxies se sont formées, l’Univers était majoritairement composé d’hydrogène et d’hélium, avec seulement une infime proportion d’éléments lourds comme le carbone et les métaux. Les galaxies et étoiles primordiales étaient donc pauvres en métaux — un terme couramment utilisé par les astronomes pour désigner l’ensemble des éléments plus lourds que l’hélium. Ces derniers étaient forgés au cœur des étoiles au cours de leur vie, puis dispersés dans l’espace lorsque celles-ci explosaient en supernova.
Les métaux propagés par les premières étoiles ont ensuite alimenté les générations suivantes, et ainsi de suite. Ils sont devenus essentiels à la formation des systèmes planétaires et, probablement, à l’émergence de la vie sur notre planète. De manière générale, les générations stellaires plus récentes tendent à être plus riches en métaux que les plus anciennes. Ce cycle de formation stellaire et de circulation de la matière façonne l’évolution des galaxies.
Cependant, si le processus d’enrichissement des étoiles en éléments lourds devrait, en théorie, prendre au moins un milliard d’années, des chercheurs ont identifié des galaxies primitives présentant des taux de métaux inhabituellement élevés. « Comment les métaux se forment-ils en moins d’un milliard d’années ? C’était surprenant de voir des galaxies aussi matures chimiquement », explique Andreas Faisst, membre de l’équipe ayant étudié ces galaxies riches en métaux et chercheur au California Institute of Technology (Caltech), dans un communiqué. « C’est comme voir des enfants de deux ans se comporter comme des adolescents », compare-t-il.
Image illustrant l’évolution de la production de métaux dans les galaxies. © Caltech/Andreas FaisstDes adolescents à l’appétit vorace
Les observations de l’équipe portaient sur 18 galaxies situées à environ 12,5 milliards d’années-lumière, une distance correspondant à un décalage vers le rouge élevé et à une époque où l’Univers avait moins d’un milliard d’années. Pour ce faire, les chercheurs ont exploité huit années de données multilongueurs d’onde provenant du télescope spatial Hubble, du JWST et de l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Des observations issues d’autres télescopes terrestres ont également été mobilisées afin d’estimer, notamment, la masse totale des étoiles au sein de ces galaxies.
Les astronomes affirment que la puissance combinée de ces instruments a permis d’obtenir l’image la plus détaillée à ce jour de ces galaxies lointaines à l’aube de leur histoire, en particulier durant leurs phases de formation stellaire intense. « Grâce à cet échantillon, nous sommes idéalement placés pour étudier l’évolution des galaxies au cours d’une période clé de l’Univers, jusqu’ici difficile à observer », souligne Andreas Faisst. « Ces télescopes exceptionnels nous ont permis de résoudre spatialement ces galaxies et d’observer les différentes étapes de la formation stellaire, ainsi que leurs propriétés chimiques, à une époque où notre Univers avait moins d’un milliard d’années. »
Les résultats — présentés lors de la 247e réunion de l’American Astronomical Society et publiés dans The Astrophysical Journal Supplement Series — montrent que ces galaxies évoluaient plus rapidement que ne le suggèrent les modèles classiques. Elles sont en effet plus riches en éléments chimiques que prévu, ce qui implique qu’elles ont produit davantage d’éléments lourds qu’on ne le pensait possible à ce stade précoce de l’Univers. Les données révèlent également que, au-delà des galaxies elles-mêmes, le gaz qui les entoure — le milieu circumgalactique — est lui aussi chimiquement enrichi.
Deux galaxies lointaines différentes issues du relevé ALPINE-CRISTAL-JWST (DC-873321 et DC-842313). L’image à l’extrême gauche combine toutes les longueurs d’onde. © Robert Hurt (Caltech), Andreas Faisst (Caltech) et l’équipe de l’étude ALPINE-CRISTAL-JWSTPar ailleurs, les observations indiquent que les trous noirs supermassifs centraux de près de la moitié de ces galaxies absorbent activement de la matière et croissent rapidement. « Grâce à cette nouvelle étude, nous pouvons désormais démontrer que certaines de ces galaxies ont évolué à la fois sur le plan structurel et chimique », explique le chercheur.
Ces conclusions concordent avec des travaux antérieurs de la même équipe, qui avaient montré qu’un nombre significatif de ces jeunes galaxies — jeunes au regard de l’époque observée — possèdent des disques en rotation comparables à ceux de galaxies matures comme la Voie lactée. Cela suggère que leurs structures physiques se sont mises en place bien plus tôt qu’on ne le supposait.
La prochaine étape pour l’équipe d’Andreas Faisst consistera à approfondir l’étude des mécanismes à l’origine de cette croissance rapide et de l’enrichissement en métaux à l’aide de simulations cosmologiques. « La combinaison des observations et des simulations offre une synergie puissante pour comprendre les mécanismes de formation des étoiles, ainsi que ceux de la production de poussière et de métaux », précise-t-il. « Ces connaissances nous aideront, à terme, à mieux comprendre la formation des premières étoiles et planètes, et la manière dont notre propre Voie lactée a vu le jour », conclut-il.
