Une grande fraction de galaxies spirales à redshift élevé révélées avec le télescope Webb

Des astrophysiciens ont trouvé davantage de galaxies spirales semblables à la Voie Lactée dans l'univers jeune, à un redshift compris entre 0,5 et 4, de quoi se gratter la tête une nouvelle fois. L'étude est publiée dans The Astrophysical Journal Letters.

Les structures spirales sont présentes dans la majorité des galaxies que nous observons à faible redshift  et ce sont les centres de formation d'étoiles. Comprendre comment et quand les galaxies spirales sont apparues pour la première fois dans l'Univers est un sujet important depuis leur découverte. Les bras des galaxies spirales peuvent être de plusieurs types (des bras bien définis ou des bras inégaux et discontinus). On pense que différents types de bras spiraux ont des histoires de formation différentes. 

Les spirales sont expliquées depuis 1964 par la théorie des ondes de densité (Lin & Shu). La théorie dit que les bras spiraux sont des ondes de densité qui traversent le disque, et ces ondes de densité déclenchent la formation d'étoiles en aval des ondes. Une autre théorie décrit la formation de bras par amplification d'instabilités gravitationnelles pouvant produire de grandes galaxies floculées (Goldreich & Lynden-Bell 1965 ; Julian & Toomre 1966).

On ne sait pas exactement quel impact le nombre de bras spiraux a sur la formation des étoiles. Hart et coll. ont constaté en 2017 que le nombre de bras a peu d'impact sur le taux de formation d'étoiles, mais Porter-Temple et al. ont découvert en 2022 que les galaxies qui ont le plus de bras spiraux ont tendance à avoir des taux de formation d'étoiles plus élevés. Il a aussi été démontré que la force des bras spiraux améliore la formation d'étoiles. Bien que les galaxies spirales soient bien établies à l'époque du redshift z = 1, la date de leur première apparition est encore incertaine. Des études basées sur des images du télescope spatial Hubble ont montré que les galaxies autour de z = 1 ont des morphologies similaires aux galaxies à faible redshift et s'intègrent dans la séquence de Hubble, mais à mesure que le redshift augmente, les galaxies ont tendance à apparaître plus irrégulières et agglomérées.

Margalef-Bentabol et al., en 2022, ont inspecté la fraction de galaxies spirales à des redshifts élevés en utilisant l'imagerie du télescope Hubble et avaient trouvé une fraction spirale d'environ 10% à z = 3. Cependant, le filtre le plus rouge de Hubble, le filtre F160W, n'est capable de sonder que la lumière visible jusqu'à z∼2,8. Le télescope Hubble n'a pas une sensibilité suffisamment élevée pour détecter les caractéristiques faibles des objets à fort redshift, et le nombre de galaxies à disques détectées chute rapidement au delà de z = 3. 

Le télescope spatial Webb est quant à lui capable de fournir une sensibilité et une résolution élevées dans l'infrarouge et peut sonder la lumière visible dans le référentiel au repos jusqu'à z ∼ 8. Des études récentes utilisant Webb ont montré que les galaxies à disques sont répandues jusqu'à des redshifts d'environ 6 (Ferreira et al. 2022 , 2023 ; Kartaltepe et al. 2023 ). Or, les galaxies à disques ont tendance à avoir des bras spiraux dans l'Univers local, et la sensibilité améliorée de Webb par rapport à Hubble peut éventuellement détecter des structures spirales dans les galaxies à disques à fort décalage vers le rouge que Hubble ne pouvait pas voir. Notons aussi que quelques galaxies spirales ont été récemment découvertes à des redshifts z = 2,467 et 3,059 avec avec le Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) (Huang et al. 2023 Wu et al. 2023), et toujours l'année dernière, Costantin et al. ont identifié  une spirale barré à z ≃ 3 avec Webb.

Les bras spiraux sont l’une des caractéristiques les plus importantes utilisées pour classer la morphologie des galaxies locales. L’époque cosmique à laquelle les bras spiraux sont apparus pour la première fois contient des indices essentiels sur l’évolution des galaxies à disques. Vicki Kuhn (université du Missouri) et ses collaborateurs ont utilisé le relevé Cosmic Evolution Early Release Science de Webb pour identifier visuellement les galaxies spirales avec un redshift compris entre 0,5 et 4 et une masse stellaire supérieure à 10 milliards M⊙. Sur les 873 galaxies sélectionnées, 216 avaient une structure en spirale. 

Ce n'est donc pas une petite fraction que Kuhn et ses collaborateurs ont trouvé dans les images du télescope Webb : près de 30 % des galaxies montrent une structure en spirale environ 2 milliards d’années après la formation de l’univers. On  pensait généralement que la plupart des galaxies spirales s'étaient développées environ 6 à 7 milliards d'années après la formation de l'univers, mais cette nouvelle étude montre que les galaxies spirales étaient donc déjà répandues seulement 2 milliards d'années après le Big Bang. Cela signifie que la formation des galaxies s'est produite plus rapidement que ce que l'on pensait.

Et les chercheurs indiquent que les galaxies spirales de l'échantillon ont des taux de formation d’étoiles plus élevés et des tailles plus grandes que les galaxies non spirales. Les fractions observées avec Webb sont supérieures aux fractions observées avec le télescope Hubble. Kuhn et ses collaborateurs  observent même quelques caractéristiques de type spirale à des redshifts supérieurs à 3 (2,17 milliards d'années post-Big Bang). Et Kuhn et ses collaborateurs sont en mesure d'exclure que les fractions spirales soient inférieures à 20% (à 2 σ ) et inférieures à 10% (à 3 σ ) pour les galaxies à z ∼ 3. 

La fraction spirale observée diminue avec l'augmentation du redshift, de 43% à z = 1 à 4% à z = 3. Les astrophysiciens ont artificiellement redshifté les galaxies à faible redshift vers des redshifts élevés pour tenir compte des effets d'observation, afin de récupérer la véritable fraction spirale à différents redshifts. Ils constatent alors que la fraction spirale intrinsèque est d’environ 40 % pour tous les redshifts. Ils ont pu fixer des limites inférieures de la fraction spirale pour différents redshifts : z=1,75 : 33 %, z=2,25 :  25 %, z=2,75 : 25 %, z=3,25 : 20 %. 

De nombreuses idées théoriques existent sur la façon dont les bras spiraux se forment, mais les mécanismes de formation peuvent varier selon les différents types de galaxies spirales. Ces nouvelles informations aident à mieux faire correspondre les propriétés physiques des galaxies avec les théories, créant ainsi une chronologie cosmique plus complète. Ces résultats d'une fraction spirale élevée à z ∼ 3 soutiennent le scénario de galaxies à disques se formant à z ≳ 4–5 et se stabilisant en disques minces et dynamiquement froids à z ≲ 3.

À l'avenir, cette étude pourra être améliorée par des observations plus larges et plus profondes afin d'élargir l'échantillon en vue d'une analyse plus approfondie de la fraction spirale à des redshifts élevés. De plus, les comparaisons avec les simulations pourront imposer des contraintes plus strictes sur les processus qui régissent la formation des bras spiraux et des galaxies à disques.

Source

JWST Reveals a Surprisingly High Fraction of Galaxies Being Spiral-like at 0.5 ≤ z ≤ 4

Vicki Kuhn et al.

The Astrophysical Journal Letters 2024 968 (11 june 2024)

https://doi.org/10.3847/2041-8213/ad43eb 

Illustrations

1. Extrait de l'échantillon de galaxies spirales identifiées (Kuhn et al.)

2. Fraction de galaxies spirales en fonction du redshift (Kuhn et al.)

3. Vicki Kuhn