L’équipe Tag du télescope spatial James Webb et d’ALMA capture le noyau du protoamas de galaxies le plus éloigné

L’équipe a révélé que de nombreuses galaxies sont concentrées sur une petite zone et que leur croissance est accélérée. En outre, l’équipe a utilisé des simulations pour prédire l’avenir de la zone métropolitaine et a découvert que la région fusionnerait en une galaxie plus grande d’ici des dizaines de millions d’années. Ces résultats devraient fournir des indices importants sur la naissance et la croissance des galaxies.

L’étude de la façon dont les étoiles individuelles naissent et meurent dans les galaxies, comment de nouvelles étoiles naissent à partir des restes d’étoiles anciennes et comment les galaxies elles-mêmes se développent sont des thèmes importants en astronomie, car ils donnent un aperçu de nos racines dans l’Univers. Les amas de galaxies, l’une des plus grandes structures de l’Univers, sont l’assemblage de plus de 100 galaxies liées entre elles par une force gravitationnelle mutuelle. Les observations de galaxies proches ont montré que la croissance d’une galaxie dépend de son environnement dans le sens où des populations stellaires matures sont généralement observées dans les régions où les galaxies sont densément rassemblées. C’est ce qu’on appelle « l’effet environnemental ». Bien que l’effet de l’environnement ait été considéré comme un élément important pour comprendre la formation et l’évolution des galaxies, on ne sait pas bien quand cet effet a commencé dans l’histoire de l’Univers. L’une des clés pour comprendre cela est d’observer les ancêtres des amas de galaxies peu après la naissance de l’Univers ; connus sous le nom de protoamas de galaxies (ci-après protoamas), ce sont des assemblages d’environ 10 galaxies distantes. Heureusement, l’astronomie nous permet d’observer l’Univers lointain tel qu’il était autrefois. Par exemple, la lumière provenant d’une galaxie située à 13 milliards d’années-lumière met 13 milliards d’années pour atteindre la Terre. Ce que nous observons maintenant est donc à quoi ressemblait cette galaxie il y a 13 milliards d’années. Cependant, la lumière qui parcourt 13 milliards d’années-lumière devient plus faible, les télescopes qui l’observent doivent donc avoir une sensibilité et une résolution spatiale élevées.

Une équipe de recherche internationale dirigée par le professeur adjoint Takuya Hashimoto (Université de Tsukuba, Japon) et le chercheur Javier Álvarez-Márquez (Centre espagnol d’astrobiologie) a utilisé le télescope spatial James Webb (JWST, observant la lumière visible et infrarouge) et l’Atacama Large Millimeter. /submillimeter Array (ALMA, observation des ondes radio) pour étudier la “région centrale” du protocole A2744z7p9OD. Le protocluster A2744z7p9OD a été annoncé comme le proto-amas le plus éloigné à 13,14 milliards d’années-lumière.[1] loin sur la base des observations avec JWST par un autre groupe de recherche[2]. “Cependant, nous n’avons pas pu observer l’ensemble de la région centrale, la zone métropolitaine, avec le plus grand nombre de galaxies candidates dans ce protoamas. Il n’était pas clair si les effets environnementaux des galaxies avaient commencé dans ce protoamas. Nous avons donc décidé de nous concentrer nos recherches sur la région centrale”, explique Hashimoto.

L’équipe de recherche a d’abord observé la région centrale de ce protocole à l’aide de JWST. À l’aide de NIRSpec, un instrument qui observe des spectres à des longueurs d’onde allant du visible au proche infrarouge, l’équipe a effectué des observations par spectroscopie de champ intégrale qui peuvent acquérir simultanément des spectres de tous les emplacements dans le champ de vision. L’équipe a réussi à détecter la lumière ionisée oxygène-ion ([OIII] 5008 Å) provenant de quatre galaxies dans une région quadrangle mesurant 36 000 années-lumière le long d’un côté, ce qui équivaut à la moitié du rayon de la Voie lactée (. Sur la base du redshift de cette lumière (l’allongement de la longueur d’onde dû au cosmique expansion), la distance entre les quatre galaxies et la Terre a été identifiée comme étant de 13,14 milliards d’années-lumière. “J’ai été surpris lorsque nous avons identifié quatre galaxies en détectant l’émission d’ions oxygène à presque la même distance. Les “galaxies candidates” dans la région centrale étaient effectivement membres du protocluster le plus éloigné”, explique Yuma Sugahara (Waseda/NAOJ), qui a dirigé l’analyse des données du JWST.

En outre, l’équipe de recherche a prêté attention aux données d’archives ALMA déjà acquises pour cette région. Les données capturent les émissions radio de la poussière cosmique dans ces galaxies lointaines. À la suite d’analyses, ils ont détecté des émissions de poussière provenant de trois des quatre galaxies. Il s’agit de la première détection d’émission de poussière dans les galaxies membres d’un protoamas aussi loin dans le temps. On pense que la poussière cosmique dans les galaxies est fournie par les explosions de supernova à la fin de l’évolution des étoiles massives dans les galaxies, qui fournissent la matière nécessaire à la formation de nouvelles étoiles. Par conséquent, la présence de grandes quantités de poussière dans une galaxie indique que de nombreuses étoiles de première génération de la galaxie ont déjà terminé leur vie et que la galaxie est en pleine croissance. Le professeur Luis Colina (El Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA)) décrit l’importance des résultats : « L’émission de poussière cosmique n’a pas été détectée dans les galaxies membres du protoamas en dehors de la région centrale. Les résultats indiquent que de nombreuses galaxies sont regroupées dans une petite région et que la croissance des galaxies est accélérée, ce qui suggère que les effets environnementaux n’existaient qu’environ 700 millions d’années après le Big Bang.

En outre, l’équipe de recherche a mené une simulation de formation de galaxies pour tester théoriquement la formation et l’évolution des quatre galaxies de la région centrale. Les résultats ont montré qu’une région de particules de gaz denses existait environ 680 millions d’années après le Big Bang et que quatre galaxies se sont formées, similaires à la région centrale observée. Pour suivre l’évolution de ces quatre galaxies, la simulation a calculé des processus physiques tels que la cinématique des étoiles et des gaz, les réactions chimiques, la formation des étoiles et les supernovae. Les simulations ont montré que les quatre galaxies fusionnent et évoluent en une seule galaxie plus grande en quelques dizaines de millions d’années, ce qui représente une échelle de temps courte dans l’évolution de l’Univers. “Nous avons réussi à reproduire les propriétés des galaxies dans la région centrale grâce à la haute résolution spatiale de nos simulations et au grand nombre d’échantillons de galaxies dont nous disposons. À l’avenir, nous aimerions explorer le mécanisme de formation de la région centrale et ses propriétés dynamiques plus en détail”, explique Yurina Nakazato, étudiante diplômée à l’Université de Tokyo, qui a analysé les données de simulation.

Javier Álvarez-Márquez (Centre espagnol d’astrobiologie) déclare : « Nous effectuerons des observations plus sensibles du proto-amas A2744z7p9OD avec ALMA pour voir s’il existe des galaxies qui n’étaient pas visibles avec la sensibilité précédente. Nous appliquerons également le JWST et Les observations d’ALMA, qui se sont révélées très puissantes, à davantage de protoamas pour élucider le mécanisme de croissance des galaxies et explorer nos racines dans l’Univers. »

Cette recherche a été soutenue par JSPS KAKENHI (numéros de subvention 20K14516, 22H01257, 22H04939, 23H00131), Leading initiative for Excellent Young Researchers, MEXT, Japon (HJH02007), NAOJ ALMA Scientific Research Grant (2020-16B), le ministère espagnol des Sciences et Innovation/Agence Nationale de Recherche (PIB2021-127718NB-100), Programme « Garantía Juveníl » de la « Comunidad de Madrid » 2021 (CM21 CAB M2 01), Comunidad de Madrid sous Atracción de Talento (2018-T2/TIC- 11612), le programme Ramón y Cajal du ministère espagnol de Ciencia e Innovación (RYC2021-033094-I ).

[1] Le redshift de cet objet était z = 7,88. Sur cette base, le calcul de la distance à l’aide des derniers paramètres cosmologiques (H0 = 67,7 km/s/Mpc, Ωm = 0,3111, ΩΛ = 0,6899) ​​donne 13,14 milliards d’années-lumière.

[2] La distance pour l’A2744z7p9OD a été déterminée pour la première fois par l’équipe de Takahiro Morishita (California Institute of Technology).