Elle se serait formée 1,4 milliard d’années seulement après le Big Bang, et serait ainsi la plus ancienne galaxie à morphologie spirale jamais découverte, cachée dans les données obtenues avec le Grand réseau d’antennes millimétrique/submillimétrique (ALMA). La découverte d’une telle galaxie avec une structure spirale à un stade aussi précoce aidera à répondre à certaines questions fondamentales de l’astronomie, notamment concernant la formation des galaxies de ce type.
« J’étais excité parce que je n’avais jamais vu de preuves aussi claires d’un disque en rotation, d’une structure spirale et d’une structure de masse centralisée dans une galaxie lointaine dans aucune littérature antérieure », explique Takafumi Tsukui, étudiant diplômé à SOKENDAI et auteur principal de l’étude.
« La qualité des données ALMA était si bonne que j’ai pu voir tellement de détails. J’ai pensé qu’il s’agissait d’une galaxie proche ». Les résultats ont été publiés dans la revue Science le 20 mai 2021.
Galaxies spirales : les galaxies les plus répandues de l’Univers
Les galaxies spirales, telles que notre galaxie (la Voie lactée), représentant jusqu’à 70% du nombre total de galaxies. Autant dire que comprendre comment et quand les premières se sont formées est une question de grande importance en astronomie. Certaines études par exemple, ont montré que la proportion de galaxies spirales diminue rapidement à mesure que l’on remonte dans l’histoire de l’Univers.
Tsukui et son superviseur Satoru Iguchi, professeur à SOKENDAI et à l’Observatoire astronomique national du Japon, ont remarqué une galaxie appelée BRI 1335-0417 dans les archives scientifiques de l’ALMA. Selon leur analyse, la galaxie existait déjà il y a 12,4 milliards d’années et contenait une grande quantité de poussière, qui obscurcit la lumière des étoiles. Il est donc difficile d’étudier cette galaxie en détail avec la lumière visible.
En revanche, ALMA peut détecter les émissions radio des ions carbone au sein de la galaxie, ce qui permet d’étudier ce qui se passe en son sein. Les chercheurs ont découvert une structure en spirale s’étendant sur 15 000 années-lumière depuis le centre de la galaxie. Cela représente un tiers de la taille de la Voie lactée. La masse totale estimée des étoiles et de la matière interstellaire de BRI 1335-0417 est à peu près égale à celle de la Voie lactée.
BRI 1335-0417, une géante primitive intrigante
« Comme BRI 1335-0417 est un objet très lointain, il se peut que nous ne puissions pas voir le véritable bord de la galaxie dans cette observation », explique Tsukui. « Pour une galaxie qui existait au début de l’Univers, BRI 1335-0417 était une géante ».
La question qui se pose alors est la suivante : comment cette structure spirale distincte s’est-elle formée en seulement 1,4 milliard d’années après le Big Bang ? Les chercheurs ont envisagé plusieurs causes possibles et ont suggéré qu’elle pourrait être due à une interaction avec une petite galaxie.
BRI 1335-0417 forme activement des étoiles et les chercheurs ont constaté que le gaz de la partie extérieure de la galaxie est gravitationnellement instable, ce qui est propice à la formation d’étoiles. Cette situation est susceptible de se produire lorsqu’une grande quantité de gaz est apportée de l’extérieur, peut-être en raison de collisions avec des galaxies plus petites.
Un destin improbable
Le destin de BRI 1335-0417 est également entouré de mystère. On pense que les galaxies qui contiennent de grandes quantités de poussière et produisent activement des étoiles dans l’Univers ancien sont les ancêtres des galaxies elliptiques géantes de l’Univers actuel. Dans ce cas, BRI 1335-0417 change de forme, passant d’une galaxie à disque à une galaxie elliptique dans le futur. Ou, contrairement à la vision conventionnelle, la galaxie peut rester une galaxie spirale pendant encore longtemps. BRI 1335-0417 jouera un rôle important dans l’étude de l’évolution de la forme des galaxies au cours de la longue histoire de l’Univers.
« Notre système solaire est situé dans l’un des bras spiraux de la Voie lactée », explique Iguchi. « Retracer les racines de la structure spirale nous fournira des indices sur l’environnement dans lequel le système solaire est né. J’espère que cette recherche permettra de faire progresser notre compréhension de l’histoire de la formation des galaxies ».
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