Impression d’artiste du disque de Wolfe, une galaxie à disque rotatif massive dans le premier univers poussiéreux. La galaxie a été découverte initialement lorsque ALMA a examiné la lumière d’un quasar plus éloigné (en haut à gauche). (Image : NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello)
Dans notre univers vieux de 13,8 milliards d’années, la plupart des galaxies, comme notre Voie lactée, se forment progressivement, atteignant leur grande masse relativement tard.
Mais une nouvelle découverte, faite avec le réseau Atacama Large Millimétrique / submillimétrique (ALMA) d’une galaxie à disque rotatif massive, vue lorsque l’univers n’avait que 10% de son âge actuel, remet en question les modèles traditionnels de formation de galaxies.
Image radio ALMA du disque de Wolfe, vue lorsque l’univers n’avait que 10% de son âge actuel. (Image : ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) M. Neeleman; NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello)
La galaxie DLA0817g, surnommée le disque Wolfe d’après le défunt astronome Arthur M. Wolfe, est la galaxie à disque rotatif la plus éloignée jamais observée. La puissance inégalée d’ALMA a permis de voir cette galaxie tourner à 170 miles (272 kilomètres) par seconde, à l’identique de notre Voie lactée.
L’auteur principal Marcel Neeleman de l’Institut Max Planck d’astronomie à Heidelberg, en Allemagne, a déclaré : « Alors que des études antérieures laissaient entendre l’existence de ces premières galaxies à disques riches en gaz en rotation, grâce à l’ALMA, nous avons maintenant des preuves sans ambiguïté qu’elles se produisent dès 1,5 milliard d’années après le Big Bang. »
Comment s’est formé le disque Wolfe ?
La découverte du disque de Wolfe constitue un défi pour de nombreuses simulations de formation de galaxies, qui prédisent que les galaxies massives à ce stade de l’évolution du cosmos se sont développées à travers de nombreuses fusions de galaxies plus petites et de bouquets de gaz chauds.
« La plupart des galaxies que nous trouvons au début de l’univers ressemblent à des épaves de train parce qu’elles ont subi une fusion cohérente et souvent " violente ". Ces fusions à chaud rendent difficile la formation de disques rotatifs à froid bien ordonnés comme nous l’observons dans notre univers actuel », a expliqué Marcel Neeleman.
Dans la plupart des scénarios de formation de galaxies, les galaxies commencent seulement à montrer un disque bien formé environ 6 milliards d’années après le Big Bang. Le fait que les astronomes aient trouvé une telle galaxie à disques alors que l’univers n’avait que 10% de son âge actuel, indique que d’autres processus de croissance ont dû dominer.
J. Xavier Prochaska, de l’Université de Californie, Santa Cruz et co-auteur de l’article, qui a été publié dans la revue Nature, a déclaré : « Nous pensons que le disque Wolfe s’est développé principalement par l’accumulation constante de gaz froid. Pourtant, une des questions qui reste est de savoir comment assembler une si grande masse de gaz tout en maintenant un disque rotatif relativement stable. »
Formation d’étoiles
L’équipe a également utilisé le très grand réseau Karl G. Jansky de la National Science Foundation (VLA) et le télescope spatial Hubble de la NASA / ESA pour en savoir plus sur la formation d’étoiles dans le disque Wolfe.
Le disque Wolfe vu avec ALMA (droite - en rouge), VLA (gauche - en vert) et le télescope spatial Hubble (les deux images - bleu). À la lumière radio, ALMA a regardé les mouvements et la masse de la galaxie de gaz atomique et de poussière et le VLA a mesuré la quantité de masse moléculaire. À la lumière UV, Hubble a observé des étoiles massives. L’image VLA est faite dans une résolution spatiale inférieure à l’image ALMA, et semble donc plus grande et plus pixélisée. (Image : ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), M. Neeleman / NRAO /AUI / NSF, S. Dagnello / NASA / ESA Hubble)
Dans les longueurs d’onde radio, ALMA a examiné les mouvements et la masse de la galaxie ainsi que de gaz atomique et de poussière tandis que le VLA mesurait la quantité de masse moléculaire - le carburant pour la formation des étoiles.
À la lumière UV, Hubble a observé des étoiles massives. J. Xavier Prochaska a expliqué que : « Le taux de formation d’étoiles dans le disque Wolfe est au moins dix fois plus élevé que dans notre propre galaxie. Ce doit être l’une des galaxies à disques des plus productives du premier univers. »
Une galaxie « normale »
Le disque Wolfe a été découvert pour la première fois par ALMA en 2017. Neeleman et son équipe ont découvert la galaxie lorsqu’ils ont examiné la lumière d’un quasar plus éloigné. La lumière du quasar a été absorbée lors de son passage à travers un énorme réservoir d’hydrogène gazeux entourant la galaxie - c’est ainsi qu’elle s’est révélée.
Plutôt que de rechercher la lumière directe de galaxies extrêmement lumineuses, mais plus rares, les astronomes ont utilisé cette méthode « d’absorption » pour trouver des galaxies plus faibles et plus « normales » dans le premier univers.
« Le fait que nous ayons trouvé le disque de Wolfe en utilisant cette méthode, nous indique qu’il appartient à la population normale de galaxies présentes à une époque précoce. Lorsque nos dernières observations avec ALMA ont montré de manière surprenante qu’il tournait, nous avons réalisé que les premières galaxies à disque rotatif ne sont pas aussi rares que nous le pensions et qu’il devrait y en avoir beaucoup plus là-bas », a déclaré Marcel Neeleman.
« Cette observation incarne la façon dont notre compréhension de l’univers est améliorée avec la sensibilité avancée qu’ALMA apporte à la radioastronomie. ALMA nous permet de faire de nouvelles découvertes inattendues avec presque toutes les observations. », a déclaré Joe Pesce, directeur du programme d’astronomie à la National Science Foundation, qui finance le télescope.
