Les flambées d’étoiles, moteur inattendu de la formation des sphéroïdes dans les galaxies primitives
La majorité des étoiles de l’Univers résident au sein des sphéroïdes, structures tridimensionnelles presque sphériques correspondant soit aux galaxies elliptiques, soit au cœur des galaxies spirales. La formation de ces sphéroïdes reste mal comprise. Traditionnellement, on pensait qu’ils naissaient de collisions et de fusions entre galaxies spirales. Cependant, des observations récentes de sphéroïdes dans l’Univers jeune, au sein de galaxies à flambée d’étoiles, ont conduit Emanuele Daddi, chercheur au CEA-Saclay, et ses collaborateurs à reconsidérer cette hypothèse.
Dans l’Univers, les galaxies se divisent en deux grandes catégories : les galaxies spirales et les galaxies elliptiques. Les galaxies spirales, comme la Voie lactée, sont jeunes et riches en gaz, formant activement de nouvelles étoiles au sein d’un disque aplati. En revanche, les galaxies elliptiques, presque sphériques, ne contiennent que des populations stellaires vieillissantes, sans formation d’étoiles nouvelles.
La formation des sphéroïdes a longtemps été attribuée à des fusions tardives entre galaxies spirales. Ces collisions déstabilisent les disques et compressent les étoiles en une structure sphéroïdale. Toutefois, les recherches d’Emanuele Daddi et de ses collègues montrent que ces sphéroïdes pourraient également se former directement dans l’Univers jeune, sans nécessiter de fusions préalables.
En utilisant des données archivées du réseau de radiotélescopes Alma, les chercheurs ont étudié environ 150 galaxies très lumineuses datant du « Midi cosmique », entre 1,6 et 4,3 milliards d’années après le Big Bang. Ces galaxies, appelées « à flambée d’étoiles », peuvent former plusieurs centaines de masses solaires d’étoiles par an, contre seulement une masse solaire pour la Voie lactée aujourd’hui.
Les télescopes optiques ne peuvent pas observer les régions centrales de ces galaxies, cachées par des nuages de poussières. En revanche, Alma, sensible aux longueurs d’onde submillimétriques, a permis de détecter le rayonnement émis par ces zones de formation stellaire.
Les résultats montrent que les flambées d’étoiles se concentrent dans des cœurs compacts et sphériques, suggérant que ces sphéroïdes se forment directement au cœur des galaxies lumineuses et poussiéreuses de l’Univers primitif. Emanuele Daddi souligne que « c’est un scénario qui avait été prédit théoriquement, mais jamais observé jusqu’à présent ».
Bien que cette découverte marque la première observation directe de sphéroïdes en formation, il reste à comprendre comment cette formation peut se faire « in situ », sans fusion galactique. Les flambées pourraient être déclenchées par une accrétion rapide de gaz froid, transporté par des filaments cosmiques. Cependant, ce scénario présente des défis, car les filaments apportent du matériel sur des périodes de milliards d’années, tandis que la formation d’étoiles se produit sur des échelles de temps beaucoup plus courtes, d’environ 100 millions d’années. Daddi évoque également la possibilité d’interactions gravitationnelles entre galaxies, qui pourraient temporairement augmenter l’accrétion de gaz.
Les observations actuelles, limitées par la résolution d’Alma, seront améliorées grâce au télescope spatial JWST, capable de percer les nuages de poussières en infrarouge. De plus, l’étude de nouveaux traceurs comme le monoxyde de carbone pourrait offrir des éclairages supplémentaires sur la cinématique des gaz dans ces galaxies en formation.
Source : Nature, 2024.
