Les galaxies primordiales contiennent beaucoup plus de petites étoiles que prévu

Des astronomes utilisant le télescope Webb ont découvert que les galaxies primordiales massives contiennent bien plus de petites étoiles peu lumineuses que prévu. Cette population cachée pourrait rendre certaines de ces galaxies trois à quatre fois plus massives que les estimations précédentes. Cette découverte complique encore davantage l'explication de la formation de galaxies si massives et matures si peu de temps après le Big Bang. Ils publient leur étude  dans Nature Astronomy.

Les observations du télescope spatial James Webb (JWST) ont révélé que les galaxies massives se sont formées et ont évolué plus rapidement que prévu par les modèles de formation galactique, nombre d'entre elles ayant déjà accumulé une masse importante d'étoiles il y a environ 12 milliards d'années. Cependant, la masse des galaxies lointaines demeure incertaine, car elle suppose une distribution des masses stellaires à la naissance (la fonction de masse initiale, FMI) qui serait similaire à celle de la Voie lactée.
Plus précisément, la contribution des étoiles de faible masse, qui constituent l'essentiel de la masse stellaire, n'est pas observée directement mais déduite par extrapolation de la FMI de la Voie lactée. Chloe Cheng (Observatoire de Leiden) et ses collaborateurs ont examiné neuf galaxies massives et matures qui ont cessé de produire de nouvelles étoiles il y a des milliards d'années. Ils ont combiné les observations réalisées par le télescope Webb (programme JWST Initial Mass Function of Early Red NIRSpec Object )avec des données antérieures recueillies au sol par le Very Large Telescope (VLT Large Early Galaxy Astrophysics Census).

Ils ont ainsi pu obtenir des contraintes robustes sur la FMI des étoiles de faible masse au-delà de l'Univers local. En utilisant les spectres ultra-profonds des neuf galaxies massives quiescentes, les chercheurs constatent que les galaxies les plus massives présentent un excès d'étoiles de faible masse. De façon remarquable, la galaxie la plus ancienne (décalage vers le rouge de formation, z > 5) possède la fonction de masse initiale (FMI) la plus riche en étoiles de faible masse. Cette galaxie pourrait être une descendante des galaxies qualifiées de « incroyablement précoces » observées par le JWST, ce qui impliquerait que ces dernières possédaient probablement des FMI également riches en étoiles de faible masse, augmentant ainsi leur masse d'un facteur d'environ 4 ± 1 selon les chercheurs. Ces résultats pourraient donc accentuer les divergences avec les modèles de formation des galaxies.

La découverte de fonctions de masse initiales à forte densité à la base aux premiers temps est cohérente avec le modèle de formation en deux phases des galaxies massives, dans lequel les noyaux de galaxies massives et quiescentes sont en place aux premiers temps (leurs densités centrales restant constantes), leurs périphéries se constituant ultérieurement par le biais de fusions mineures.

Plus précisément, il a été constaté que les noyaux des galaxies massives actuelles de type précoce – les descendants probables de ces systèmes lointains – possèdent également des FMI à forte densité à la base. De plus, certaines des galaxies étudiées ici pourraient être encore plus riches en étoiles de faible masse que les noyaux des galaxies voisines. Ainsi, dans le scénario en deux phases, le mélange des populations stellaires par fusion pourrait réduire, au fil du temps, la richesse en étoiles de faible masse de la fonction de masse initiale dans ces galaxies.

En résumé, ce travail de Chloe Cheng et al. représente une avancée majeure dans la compréhension de l'assemblage des galaxies massives. Pour la première fois, des astrophysiciens ont mesuré avec précision la fonction de masse initiale dans un échantillon de galaxies massives et quiescentes situées au-delà de l'Univers proche. La découverte d'une FMI à forte densité à la base, c'est à dire avec une forte population d'étoiles de faible masse, notamment dans les galaxies les plus anciennes de l'échantillon, implique que les galaxies quiescentes les plus massives (> 100 milliards M⊙) découvertes à des décalages vers le rouge élevés, ont probablement des masses encore plus élevées que celles initialement rapportées. 

Ces résultats suggèrent également que les masses de leurs galaxies progénitrices pourraient être sous-estimées, ce qui accentue encore la controverse. À l'avenir, des mesures de la fonction de masse initiale à des décalages vers le rouge plus élevés, encore plus proches de l'époque de formation de ces galaxies « incroyablement précoces », permettront de clarifier cette apparente contradiction avec les modèles de formation des galaxies. De futures observations extrêmement profondes avec le télescope spatial Webb avec son spectromètre NIRSpec sera indispensable pour établir ces contraintes.

Source

Hidden mass in early galaxies revealed by bottom-heavy initial mass functions

Chloe M. Cheng et al.

Nature Astronomy (18 august 2026) 

https://doi.org/10.1038/s41550-026-02932-4

Illustration

1. 6 galaxies parmi les 9 de l'échantillon étudié (Chloe Cheng et al.)

2. Chloe Cheng