Une galaxie exceptionnelle datant des débuts de l’Univers défie nos théories cosmologiques

En analysant les données du télescope spatial James Webb (JWST), des chercheurs ont repéré une galaxie spirale « de grand style » qui s’est formée 1,5 milliard d’années seulement après le Big Bang – un âge exceptionnellement avancé qui laisse les scientifiques perplexes. Alors que la plupart des galaxies de ce type sont relativement jeunes, elle aurait accumulé près de 10 milliards de masses solaires en quelques centaines de millions d’années. Cette découverte pourrait amener à revoir certains aspects de notre compréhension de la formation de ces structures.

Les galaxies spirales de grand style (« grand design spiral galaxy ») se distinguent des galaxies spirales « cotonneuses » par leurs bras proéminents et bien définis émergeant d’un noyau central. Ces bras spiraux s’étendent de manière si nette depuis le noyau qu’ils restent visibles à de grandes distances. Bien qu’il n’y ait pas de consensus définitif sur leur formation, il a été suggéré que ces bras se développent à l’intérieur d’ondes de densité tournant à grande vitesse autour du noyau, compressant ainsi la matière et regroupant les étoiles avec une organisation remarquable.

Environ 10 % des galaxies spirales sont de grand style, la plupart étant relativement jeunes. À ce jour, seules quelques-unes ont été découvertes avec un décalage vers le rouge supérieur à 3. Se produisant lorsque la lumière d’un objet se décale vers des longueurs d’onde plus longues, le décalage vers le rouge est une mesure de référence pour évaluer l’âge et la distance des galaxies. Plus un objet est ancien et éloigné, plus son décalage vers le rouge est élevé, notamment en raison de l’expansion de l’Univers.

Les galaxies de l’Univers primitif ont également tendance à être regroupées. Cependant, la nouvelle galaxie spirale de grand style repérée par les chercheurs du Centre national de radioastrophysique du Tata Institute of Fundamental Research, en Inde, est non seulement isolée, mais présente aussi un décalage vers le rouge exceptionnellement élevé. « Dans cet article, nous présentons la découverte, dans le champ de l’amas Abell 2744, d’une galaxie spirale à deux bras de grand style, avec un décalage vers le rouge de z ∼ 4 », indiquent-ils dans leur document, prépublié sur le serveur arXiv. « Puisqu’il s’agit d’une galaxie spirale de grand style (GDSp) située dans le champ A2744 à z ∼ 4, nous la désignons comme A2744-GDSp-z4 ».

10 milliards de masses solaires accumulées en quelques centaines de millions d’années

Englobant une masse stellaire d’environ 14 milliards de masses solaires, A2744-GDSp-z4 a été initialement identifiée comme une galaxie inhabituelle. Suite à un examen approfondi, les chercheurs ont constaté qu’elle présente un motif en spirale de grande envergure avec des bras bien formés. Elle dispose d’un noyau central brillant et renflé, qui s’étend vers les bords sous la forme d’un disque mesurant près de 32 000 années-lumière de diamètre.

Selon les chercheurs, le décalage vers le rouge de la galaxie (de 4,3) indique qu’elle s’est formée lorsque l’Univers n’avait que 1,5 milliard d’années. La lumière détectée par JWST a donc été émise il y a plus de 12 milliards d’années. Elle présente un taux de formation d’étoiles de 57,6 masses solaires par an, débutant seulement 839 millions d’années après le Big Bang. Cela signifierait qu’elle a rassemblé environ 10 milliards de masses solaires en seulement quelques centaines de millions d’années. Cela semble difficile à concilier avec les modèles conventionnels de formation des galaxies spirales, qui supposent des temps de croissance plus lents et des conditions dynamiques différentes.

« La rareté des spirales à fort décalage vers le rouge pourrait s’expliquer par le fait que les galaxies étaient dynamiquement chaudes à ces époques précoces », expliquent les chercheurs. Or, « les systèmes dynamiquement chauds ont tendance à former des structures groupées plutôt que des spirales hautement ordonnées ».

Ils estiment qu’A2744-GDSp-z4 pourrait s’être formée grâce à une barre stellaire, une structure gazeuse présente dans la plupart des galaxies et catalysant la formation des étoiles en régulant la répartition de la matière. Alternativement, la galaxie spirale pourrait être le produit d’une fusion de deux plus petites, bien que cela soit peu probable au vu de sa structure bien définie, car les fusions galactiques tendent généralement à produire des formes moins ordonnées.

D’autres questions essentielles restent en suspens : comment A2744-GDSp-z4 a-t-elle pu acquérir un disque aussi grand en si peu de temps ? Et quels mécanismes précis ont permis la formation de ses bras spiraux ? « Ces questions pourraient trouver une réponse en étudiant l’état dynamique de cette galaxie avec de futures observations IFU du JWST/NIRSpec », concluent les experts.

Source : arXiv