vendredi 2 décembre 2016

Observation d’un vaste réservoir de gaz moléculaire froid au voisinage d’une galaxie massive dans l’Univers jeune



La présence de galaxies massives seulement quelques milliards d’années après la singularité initiale pose de nombreuses questions aux astrophysiciens, parmi lesquelles : comment ont-elles pu agglomérer suffisamment de gaz moléculaire froid pour former aussi rapidement quantité d’étoiles et grossir aussi vite ? Une étude parue cette semaine dans Science fournit un début de réponse à cette question cruciale.




Bjorn Emonts (Instituto Nacional de Técnica Aerospacial à Madrid) et ses collaborateurs internationaux, dont des chercheurs français, rapportent des observations qu’ils  ont effectuées sur une galaxie massive emblématique de l’Univers jeune, la galaxie « de la toile d’araignée » (MRC 1138-262), une grosse galaxie située 3 milliards d’années après le Big Bang. Les astrophysiciens y mettent en évidence la présence d’un très vaste réservoir de gaz moléculaire à son voisinage, du gaz comportant de grandes quantités de monoxyde de carbone, ce qui signifie qu’il s’agit de matière provenant d’étoiles précédentes, du gaz recyclé. Et ce réservoir alimente la formation de nouvelles étoiles dans la galaxie Spiderweb. 
La Galaxie Spiderweb n’est pas n’importe quelle galaxie, c’est la galaxie la plus massive que l’on connaisse à cette époque cosmologique, dans les trois premiers milliards d’années. Elle se trouve en pleine période de production d’étoiles. Elle doit son nom amusant à sa morphologie particulière : la galaxie de la toile d’araignée se situe au centre d’une zone de près de 350 000 années-lumière d’émission UV diffuse ressemblant à une toile dans laquelle seraient prises au piège quelques dizaine de petits insectes, sous la forme de petites galaxies. 
Rappelons que l’évolution des galaxies est caractérisé, d’après les modèles dominants, par une première phase de production intense d’étoiles à partir de condensation de gaz, qui aurait lieu durant quelques milliards d’années, puis ce grossissement se calmerait fortement pour laisser la place à une période de fusions successives entre galaxies, menant finalement aux galaxies géantes que nous connaissons dans l’Univers actuel. Mais cette image d’évolution est toujours débattue aujourd’hui, notamment à l’aune des observations étonnantes de ces galaxies déjà très massives dans l’Univers jeune.
Le problème réside dans le fait que pour soutenir une formation intense d’étoiles, de l’ordre de 100 par an, la galaxie en question doit disposer d’un réservoir constant de gaz froid. Or les meilleures simulations ne parviennent pas produire ce type de source de gaz. Le gaz froid primordial ne peut pas jouer ce rôle, simplement car en s’écoulant entre les galaxies pour « tomber » vers la galaxie massive, ce gaz froid s’échauffe par friction, et ce jusque plusieurs millions de degrés, en formant un halo de gaz chaud. Pour se condenser en étoiles, le gaz doit être froid, et le gaz chaud, lui, peut prendre plusieurs milliards d’années pour se refroidir…


L’équipe de Emonts a utilisé deux types d’observations radio interférométriques, à différentes résolutions, tout d’abord  avec le Australia Telescope Compact Array (90 heures d’observations en basse résolution) et puis avec  le Karl Jansky Very Large Array (8 heures d’observations à haute résolution). Les astrophysiciens ont imagé la région de la galaxie Spiderweb dans une longueur d’onde particulière de la molécule de CO sur environ 250 000 années-lumière autour de la galaxie massive. La cartographie du monoxyde de carbone montre que seulement un tiers du gaz détecté se trouve dans la galaxie centrale. Les deux tiers restants constituent un vaste réservoir situé entre les galaxies du groupe qui s’étend sur plus de 200 000 années-lumière. Des étoiles semblent par ailleurs se condenser à partir de ce vaste réservoir au taux de plusieurs centaines par an avant de tomber dans les couches externes de la galaxie.
Comme du monoxyde de carbone (molécule composée d’un atome de carbone et d’un atome d’oxygène) est présent dans ce gaz froid, ce dernier est forcément, au moins en partie, issu d’un recyclage de matière provenant d’étoiles d’une génération précédente. Or il se trouve que le gaz expulsé des étoiles est initialement très chaud et ionisé, et rejoint le halo galactique de gaz chaud. Mais les chercheurs expliquent que  la vitesse de refroidissement du gaz est beaucoup plus rapide lorsque des éléments « lourds » y sont présents (plus lourds que l’hydrogène). Le gaz recyclé peut alors permettre que de la matière froide précipite aux pourtours d’un halo de gaz chaud et fournisse un réservoir important pour la production d’étoiles. 
Même si cette observation d’un vaste nuage de gaz moléculaire froid recyclé aide à résoudre le problème de la croissance trop rapide des galaxies massives, elle soulève néanmoins d’autres questions : comment cette quantité de gaz recyclé s’est-elle retrouvée là ? Par quel mécanisme ? Et la galaxie Spiderweb est-elle un cas très particulier ou bien le phénomène observé est-il commun ?
Pour en savoir plus et pour répondre à ces nouvelles questions, les astronomes vont devoir trouver d’autres cas semblables à cette galaxie laboratoire.

Source :

Molecular gas in the halo fuels the growth of a massive cluster galaxy at high redshift
B. H. C. Emonts et al. 
Science  Vol. 354, Issue 6316 (02 Dec 2016)


Illustrations :

1) La Galaxie de la Toile d'araignée imagée en visible par le télescope spatial Hubble (le gaz moléculaire froid est invisible ici) (NASA/ESA)

2) Le réseau interférométrique de radiotélescopes australien ATCA utilisé dans cette étude  (CSIRO)

3 commentaires :

pludov a dit…

200al pour un groupe de galaxies ? Je pense qu'il y a erreur sur les distances!

Sinon, Merci pour ce blog : Keep up the good work!

Dr Eric SIMON a dit…

Il fallait lire 200 000 au lieu de 200. Le "k" a malencontreusement disparu dans ma conversion en années-lumière des kpc... Je devrais peut-être une bonne fois pour toute adopter l'unité de distance la plus utilisé en astro au lieu de parler en années-lumière...

Popaul a dit…

L'année lumière est un unité plus parlante à qui n'est pas assez familier de l'astronomie. Je vote pour. Mais peut-être le blog est plus consulté par des familiers du parsec.