Une équipe d'astrophysiciens vient de découvrir à l'aide du télescope spatial Webb, une galaxie spirale barrée située à un redshift d'environ 3, soit 2 milliards d'années après le Big Bang, alors qu'on pensait que de telles galaxies matures, très ressemblantes à notre galaxie, ne pouvaient exister que plus bien plus tard à un redshift inférieur à 1,5. L'étude est publiée dans Nature.
Cette galaxie est appelée CEERS-2112. Elle a été découverte par Luca Costantin (INTA/CSIC, Madrid) et ses collaborateurs, et le fait qu'elle possède une barre d'étoiles est inédit car les galaxies aussi éloignées doivent être beaucoup plus chaotiques que les galaxies de l'Univers plus proche. La puissance du télescope spatial Webb a permis aux chercheurs d'imposer de fortes contraintes sur la taille et la forme de la barre. Ils mesurent une longueur de 3,3 kpc pour cette barre.
La majorité des galaxies à disques massifs de l'Univers local présentent une structure stellaire barrée dans leurs régions centrales, comme par exemple notre Voie Lactée. Les barres sont censées se développer dans des disques stellaires dynamiquement froids à faible redshift, car la forte turbulence gazeuse typique des galaxies à disques à redshift élevé supprime ou retarde la formation de barres. Les simulations prédisent ainsi que les barres sont presque absentes au-delà d'un redshift z = 1,5 dans les galaxies progénitrices des galaxies semblables à la Voie Lactée.
CEERS-2112 vient donc contredire les modèles théorique de formation galactique en montrant que les galaxies pouvaient être aussi ordonnées que la Voie Lactée, seulement 2 milliards d'années après le Big Bang.
La masse stellaire de CEERS-2112 vaut 3,9 milliards M⊙, ce qui signifie qu'elle peut être considérée comme un ancêtre de galaxies du type Voie Lactée, en termes à la fois de structure et d'histoire d'assemblage de masse dans les premiers 2 Gigannées de l'Univers. Costantin et ses collaborateurs peuvent même estimer son âge, qui est de 620 ±160 millions d'années. La barre aurait commencé à se former 200 millions d'années après la naissance de la galaxie.
La compréhension antérieure de l'évolution des galaxies était qu'il fallait plusieurs milliards d'années pour que les galaxies soient suffisamment ordonnées pour développer des barres. La découverte de CEERS-2112 montre que cela peut se produire en environ un milliard d'années ou moins. Certains aspects de nos théories sur la formation et l'évolution des galaxies vont donc devoir être révisés. Les modèles devront tenir compte du fait que certaines galaxies deviennent suffisamment stables pour héberger des barres très tôt dans l'histoire de l'univers. Selon les chercheurs, les modèles théoriques devront par exemple ajuster la quantité de matière noire qui compose les galaxies, car on pense aujourd'hui que la matière noire affecte la vitesse à laquelle les barres se forment dans les galaxies spirales.
Costantin et ses collaborateurs en déduisent aussi plusieurs choses : premièrement que les baryons dans les galaxies auraient déjà pu dominer la matière noire à un redshift z ≈ 3, deuxièmement que des barres à redshift élevé pourraient se former en environ 400 Mégannées et enfin que des disques stellaires dynamiquement froids auraient déjà pu être en place à un redshift z = 4–5 (c'est à dire il y a plus de 12 Gigannées).
Le modèle cosmologique ΛCDM prédit que les galaxies à un redshift supérieur à 5 ont connu une phase d'accrétion de gaz, formant des étoiles à un rythme très élevé et entretenant la croissance des trous noirs. Le cycle baryonique de cette phase turbulente est équilibré par de forts flux sortants dus à la rétroaction des noyaux galactiques actifs et des supernovas. Dans les simulations cosmologiques de pointe comme TNG50, différentes implémentations de rétroaction sont capables de disperser efficacement les baryons sur de grandes échelles radiales, et il a été démontré récemment que certaines galaxies à disques massifs ( M★ > 10 milliards M⊙) auraient pu être présentes dès z ≈ 4 et que des barres auraient déjà commencé à se former à ces moments-là. Mais les simulations cosmologiques n'arrivent pas à produire des galaxies barrées qui ont des masses inférieures au-delà de z > 1,5, comme c'est le cas de CEERS-2112.
Costantin et son équipe pensent qu'étant donné que CEERS-2112 a un âge d'environ 600 Mégannées, la fraction de gaz élevée habituellement observée dans les galaxies à z élevé aurait pu ici être rapidement consommée pendant la croissance du disque stellaire avant que la barre stellaire puisse commencer à se développer. Cette découverte met en évidence la nécessité d’étudier l’interaction entre l’abondance de gaz et l’efficacité de la formation d’étoiles dans les galaxies à disque à un redshift supérieur à 2, ce qui sera fondamental pour limiter l’échelle de temps de formation des barres et l’évolution précoce des galaxies à disque.
Les chercheurs notent en conclusion que des études effectuées en 2020 et 2021 avec ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), avaient montré l’existence de disques gazeux froids à un redshift d'environ 5. La découverte de CEERS-2112 confirme par l'observation que les disques galactiques pouvaient effectivement être dynamiquement froids à cette époque.
Rappel de la relation redshift - époque cosmique :
z = 7 :770 millions d'années après le Big Bang
z = 6 : 940 millions d'années après le Big Bang
z = 5 : 1,2 milliards d'années après le Big Bang
z = 4 : 1,5 milliards d'années après le Big Bang
z = 3 : 2,2 milliards d'années après le Big Bang
z = 1,5 : 4,3 milliards d'années après le Big Bang
z = 1 : 5,9 milliards d'années après le Big Bang
z = 0 : aujourd'hui
Source
A Milky Way-like barred spiral galaxy at a redshift of 3
Luca Costantin, et al.
Nature volume 623 (8 november 2023)
Illustrations
1. La galaxie CEERS-2112 (Costantin et al.)
2. Distribution des galaxies matures dans le diagramme masse=f(âge cosmologique) (Costantin et al.)
3. Luca Costantin
Aucun commentaire :
Enregistrer un commentaire