jeudi 26 avril 2018

Observation de proto-amas de galaxies 1,4 milliards d'années après le Big Bang


Les astrophysiciens pensaient que les premiers amas de galaxies se formaient à partir d’environ 3 milliards d’années après le Big Bang. Mais ce n’est pas ce que montre une observation effectuée conjointement avec les radiotélescopes ALMA et APEX. Les astronomes ont débusqué ce qui ressemble à l’amas de galaxies le plus lointain et précoce vu à ce jour : seulement 1,4 milliards d’années après le Big Bang…




L’objet en question est ce qu’on appelle un proto-amas de galaxies, il est nommé SPT2349-56 et avait été découvert par le South Pole Telescope (SPT). Il s’agit d’un groupe de 14 galaxies jeunes en train de former des millions d’étoiles, mais des galaxies qui se retrouvent quasi imbriquées les unes dans les autres. L'équipe menée par Tim Miller (Dalhousie University, Canada) a mis en évidence cette dense concentration de galaxies en pleine croissance en étudiant leur émission de monoxyde de carbone et de carbone ionisé. Chacune de ces galaxies produit entre 50 et plusieurs milliers d’étoiles par an (pour comparaison, notre galaxie produit seulement une étoile par an en moyenne).
Tim Miller et ses collègues publient leur observation aujourd'hui dans Nature, quasi simultanément avec une autre publication très similaire sur la découverte d'un autre proto-amas de galaxies, légèrement plus proche de nous dans l'espace-temps, mais toujours situé à la même époque cosmique, à z=4 contre z=4,31 pour celui de Miller et al. Les deux équipes n'avaient pas connaissance des travaux de l'autre, le hasard fait bien les choses. Cet autre cas, relaté par Iván Oteo (Université d’Edinburgh) et ses collaborateurs dans The Astrophysical Journal, est composé, lui, de 11 galaxies formant un “megamerger”, avec la particularité d’être très rouges, du fait de leur quantité de poussières très important. Ce proto-amas a ainsi été surnommé simplement DRC pour Dusty Red Core. Les astrophysiciens ont eux-aussi exploité l'incontournable réseau ALMA, mais accompagné cette fois, en plus d'APEX (Atacama Pathfinder Experiment), de nombreux autres instruments comme l'ATCA, le Jansky VLA ou encore le télescope spatial Spitzer.
Oteo et ses collègues ont pu estimer la masse de gaz et sa masse totale du proto-amas DRC : au moins 6,6 × 1011 M de gaz, pour une masse totale d'environ 4,4 × 1013 M, et concernant SPT2349-56, Miller donne une masse dynamique de 1,16 × 1013 M, ce qui fait dire aux chercheurs, dans les deux cas, que ces proto-amas seraient les progéniteurs d'amas géants comme l'amas de Coma dans l'Univers local.
C’est dans les longueurs d’onde submillimétriques que les chercheurs ont réussi à identifier ces deux proto-amas de galaxies très lointains. Trouver de tels groupes de galaxies est surprenant selon les chercheurs car la durée de vie de ces galaxies poussiéreuses à bouffée de formation d’étoiles devrait être très courte parce qu’elles consomment leur gaz à une vitesse extraordinaire. Elles devraient alors être très rares, et le fait dans trouver de nombreuses au même moment cosmique est très étonnant. Il y aurait peut-être quelque chose ici qui n'a pas encore été bien compris...
L'autre point commun de ces deux proto-amas est leur taille. Bien que contenant une dizaine de galaxie chacun, ils ont un rayon extrêmement petit, égal à la distance séparant la Voie Lactée des deux Nuages de Magellan (moins de 200000 années-lumière), et donc une densité de matière considérable.

Ce qui surprend les astrophysiciens, c'est que d'après les théories de formation galactique et les modèles numériques qui ont été développés, des proto-amas aussi massifs que SPT2349-56 et DRC devraient avoir mis beaucoup plus de temps pour devenir ce qu'ils sont. Clairement, ces deux spécimens n'ont pas grossi graduellement sur plusieurs milliards d'années comme on s'y attendait. La façon avec laquelle ces assemblages de galaxies ont grossi aussi fort et aussi vite reste aujourd'hui un mystère pour les spécialistes. Ces deux découvertes ouvrent ainsi une belle opportunité pour étudier comment les premières galaxies massives se sont assemblées pour former des énormes amas.


Sources

A massive core for a cluster of galaxies at a redshift of 4.3
T. B. Miller et al.
Nature volume 556, pages469–472 (25 April 2018)

An Extreme Protocluster of Luminous Dusty Starbursts in the Early Universe
I. Oteo, R. J. Ivison, L. Dunne, A. Manilla-Robles, S. Maddox, A. J. R. Lewis, G. de Zotti, M. Bremer, D. L. Clements, A. Cooray
The Astrophysical Journal, Volume 856, Number 1


Illustrations

1) Image du protoamas SPT2349-56 composé de 14 galaxies, à gauche imagé par le SPT, au centre avec un peu plus de détails avec APEX et à droite avec encore plus de résolution avec ALMA (ESO/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Miller et al.)

2) Images à plusieurs échelles du protoamas DRC composé de 11 galaxies, à gauche imagé par LABOCA, au centre et à droite avec ALMA à deux résolutions différentes (Oteo et al.)

3 commentaires :

Nicophil a dit…

"L'autre point commun de ces deux proto-amas est leur taille. Bien que contenant une dizaine de galaxieS chacun, ils ont un rayon extrêmement petit": ils mesurent un diamètre angulaire puis ils calculent le diamètre à l'émission (mais donc ça dépend du modèle), c'est bien ça ?

Youx a dit…

Bonjour Eric,
Comment est-ce qu'un radio-télescope peut déterminer une composition chimique?
Il y a-t-il des raies dans les fréquences radio?

Dr Eric SIMON a dit…

Oui Youx, bien sûr qu'il il y a des raies d'absorption ou d'émission dans le domaine radio (millimétrique ou centimétrique). La plus célèbre d'entre elles est sans doute la raie hyperfine à 21 cm de l'hydrogène. La plupart des raies dans le domaine radio sont associées à des recombinaisons d'atomes ionisés, des états rotationnels ou des petites molécules dipolaires (comme le CO).
Ici, on est au tout début du domaine radio, on appelle aussi cette zone du spectre l'infra-rouge lointain, typiquement entre 500 µm et 1 mm. Une raie correspondant à une transition du CO a été mesurée particulièrement (raie à 160 µm redshiftée à 840 µm).