Découverte d’une galaxie primordiale d’il y a 13.3 milliards d’années, la plus éloignée jamais observée

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La galaxie MACS1149-JD1 (en médaillon) la plus éloignée à montrer des signes de rotation. | ALMA/ESO
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Après le Big Bang, sont progressivement apparues les premières galaxies. En raison de l’expansion de l’Univers, ces galaxies s’éloignent de nous. Une équipe internationale d’astronomes a détecté des signes de rotation dans une galaxie apparue 500 millions d’années après le Big Bang, la galaxie la plus éloignée jamais observée — à l’aide de l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Cette découverte suggère que la galaxie ne fait qu’entamer sa rotation, ce qui aidera les scientifiques à mieux comprendre le processus de formation et d’évolution des galaxies dans l’Univers primordial.

L’expansion de l’Univers après la Big Bang a provoqué l’éloignement des galaxies les unes des autres, induisant un décalage vers le rouge de leurs émissions (décalage vers des longueurs d’onde plus grandes). En étudiant ces décalages, il est possible de caractériser le « mouvement » au sein des galaxies, ainsi que leur distance.

Avec l’avancée technologique des télescopes, les rendant de plus en plus puissants, les astronomes ont pu détecter davantage de galaxies lointaines. Le point d’orgue est surement la mise en route opérationnelle du plus grand et puissant télescope spatial au monde, James Webb. Il a d’ailleurs pu fournir l’image la plus profonde de l’Univers jamais obtenue, dévoilant des galaxies âgées de plus de 13 milliards d’années — le Big Bang ayant eu lieu il y a environ 13,8 milliards d’années.

Dans une nouvelle étude, des astronomes de l’Université Waseda ont maintenant révélé un mouvement de rotation probable d’une galaxie éloignée, datée de 13,3 millions d’années, soit 500 millions d’années après le Big Bang, grâce au télescope terrestre Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Leurs travaux sont publiés dans la revue The Astrophysical Journal Letters.

Une image au millimètre

Situé sur le haut plateau de Chajnantor dans les Andes chiliennes, ALMA est un télescope de pointe dédié à l’étude du rayonnement provenant des objets les plus froids de l’Univers. Il est composé de 66 antennes de grande précision séparées de plusieurs kilomètres (jusqu’à 16 km). Le rayonnement observé est appelé « millimétrique/submillimétrique », car il possède une longueur d’onde de l’ordre du millimètre ou inférieure, entre le rayonnement infrarouge et les ondes radio.

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À ces longueurs d’onde, le rayonnement émane de gigantesques nuages froids intersidéraux ayant des températures de quelques dizaines de degrés au-dessus du zéro absolu, mais aussi des toutes premières galaxies. Les astronomes mesurent ce rayonnement pour étudier les conditions chimiques et physiques régnant dans les nuages moléculaires, des régions denses de gaz et de poussières où les étoiles naissent. Ces régions sont obscures et opaques à la lumière visible, mais transparentes dans la partie millimétrique et submillimétrique du spectre électromagnétique.

ALMA est donc particulièrement bien adapté pour observer les décalages vers le rouge dans les émissions des galaxies. Récemment, l’équipe de chercheurs internationaux a observé les émissions décalées vers le rouge d’une galaxie lointaine, MACS1149-JD1. L’équipe comprenait le professeur Akio Inoue et l’étudiant diplômé Tsuyoshi Tokuoka de l’Université Waseda (Japon), le Dr Takuya Hashimoto de l’Université de Tsukuba (Japon), le professeur Richard S. Ellis de l’University College de Londres et le Dr Nicolas Laporte, chercheur à l’Université de Cambridge (Royaume-Uni).

Ellis déclare dans un communiqué : « Au-delà de la recherche de galaxies à décalage vers le rouge élevé, c’est-à-dire très éloignées, l’étude de leur mouvement interne du gaz et des étoiles fournit une motivation pour comprendre le processus de formation des galaxies dans l’univers le plus ancien possible ».

En menant une série d’observations sur une période de deux mois, entre octobre 2018 et décembre 2018, pour un total de presque 10 heures d’observation, les astronomes ont mesuré avec succès de petites différences dans le « décalage vers le rouge » d’une position à l’autre, à l’intérieur de la galaxie même. En d’autres termes, la galaxie tourne, elle est en rotation.

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Distribution de l’émission radio dans MACS1149-JD1 observée par ALMA (à gauche), comparée au modèle (à droite). La couleur rouge montre que la galaxie s’éloigne de nous, la couleur bleue qu’elle se rapproche, marquant ainsi une rotation. © Tokuako et al., 2022 (modifié par Laurie Henry pour Trust My Science)

Ensuite, ils ont modélisé la galaxie comme un disque en rotation, reproduisant les observations. La vitesse de rotation calculée était d’environ 50 kilomètres par seconde (celle du disque de la Voie lactée est de 220 kilomètres par seconde). L’équipe a également mesuré le diamètre de MACS1149-JD1 à seulement 3000 années-lumière. Il est donc beaucoup plus petit que celui de la Voie lactée, qui fait 100 000 années-lumière de diamètre. Cette galaxie ne serait donc qu’au début de sa rotation.

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Infographie résumant les recherches effectuées sur la galaxie MACS1149-JD1. © Tokuako et al., 2022

Remonter l’histoire de l’Univers

Selon les auteurs, l’origine de la rotation des galaxies réside dans leur processus de formation. Il est donc nécessaire de trouver les premières galaxies afin de reconstituer l’histoire de l’Univers.

Il faut savoir que la formation des galaxies commence par l’accumulation de gaz et se poursuit par la formation d’étoiles à partir de ce gaz. Avec le temps, la formation des étoiles progresse du centre vers l’extérieur, un disque galactique se développe et la galaxie acquiert une configuration particulière. Au fur et à mesure que la formation d’étoiles se poursuit, de nouvelles étoiles se forment dans le disque en rotation tandis que celles plus anciennes restent dans la partie centrale. En étudiant l’âge et le mouvement des étoiles et du gaz dans la galaxie, il est possible de déterminer le stade d’évolution atteint par cette dernière.

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Vue d’artiste de la galaxie MACS1149-JD1. © Université Waseda

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Grâce à leur modélisation, les auteurs ont pu déterminer le type d’étoiles qui composent la galaxie. En effet, la masse estimée à partir de la vitesse de rotation de la galaxie correspond à la masse stellaire issue de la signature spectrale de la galaxie. Selon les auteurs, elle provient principalement de nombreuses étoiles matures, âgées d’environ 300 millions d’années, et donc s’étant formées il y a plus de 13,5 milliards d’années. Le Dr Takuya Hashimoto, coauteur de l’étude, souligne : « Cela montre que la population stellaire de JD1 s’est formée à une époque encore plus ancienne de l’âge cosmique ».

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Les auteurs concluent : « La vitesse de rotation [de cette galaxie] est beaucoup plus faible que celles mesurées dans les galaxies des époques ultérieures et de notre galaxie, et il est probable qu’elle soit à un stade initial de développement d’un mouvement de rotation ».

Avec le télescope spatial James Webb, qui nous a dévoilé un aperçu de ses capacités extraordinaires, les astronomes prévoient de vérifier et éventuellement mettre à jour les modèles de formation des galaxies.

Source : The Astrophysical Journal Letters

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