Des éclats de formation d’étoiles expliquent la mystérieuse luminosité de l’aube cosmique

Cette découverte surprenante a même amené certains physiciens à remettre en question le modèle standard de la cosmologie, se demandant s’il fallait ou non le bouleverser.

Grâce à de nouvelles simulations, une équipe d’astrophysiciens dirigée par l’Université Northwestern a découvert que ces galaxies ne sont probablement pas si massives après tout. Bien que la luminosité d’une galaxie soit généralement déterminée par sa masse, les nouvelles découvertes suggèrent que des galaxies moins massives peuvent briller tout aussi brillamment à partir d’éclats irréguliers et brillants de formation d’étoiles.

Non seulement cette découverte explique pourquoi les jeunes galaxies semblent massives, mais elle s’inscrit également dans le modèle standard de la cosmologie.

La recherche sera publiée mardi 3 octobre dans le Lettres de journaux astrophysiques.

“La découverte de ces galaxies a été une grande surprise car elles étaient nettement plus brillantes que prévu”, a déclaré Claude-André Faucher-Giguère, de Northwestern, l’auteur principal de l’étude. “En général, une galaxie est brillante parce qu’elle est grande. Mais comme ces galaxies se sont formées à l’aube cosmique, il ne s’est pas écoulé suffisamment de temps depuis le Big Bang. Comment ces galaxies massives ont-elles pu s’assembler si rapidement ? Nos simulations montrent que les galaxies n’ont aucun problème à former cette luminosité. à l’aube cosmique.

“La clé est de reproduire une quantité suffisante de lumière dans un système dans un court laps de temps”, a ajouté Guochao Sun, qui a dirigé l’étude. “Cela peut se produire soit parce que le système est vraiment massif, soit parce qu’il a la capacité de produire rapidement beaucoup de lumière. Dans ce dernier cas, un système n’a pas besoin d’être aussi massif. Si la formation d’étoiles se produit par rafales, elle émettent des éclairs de lumière. C’est pourquoi nous voyons plusieurs galaxies très brillantes.

Faucher-Giguère est professeur agrégé de physique et d’astronomie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et membre du Centre d’exploration et de recherche interdisciplinaires en astrophysique (CIERA). Sun est boursier postdoctoral CIERA à Northwestern.

Période qui a duré environ 100 millions d’années à 1 milliard d’années après le Big Bang, l’aube cosmique est marquée par la formation des premières étoiles et galaxies de l’univers. Avant le lancement du JWST dans l’espace, les astronomes en savaient très peu sur cette période ancienne.

“Le JWST nous a apporté beaucoup de connaissances sur l’aube cosmique”, a déclaré Sun. “Avant JWST, la plupart de nos connaissances sur l’univers primitif étaient des spéculations basées sur des données provenant de très peu de sources. Avec l’énorme augmentation de la puissance d’observation, nous pouvons voir des détails physiques sur les galaxies et utiliser ces preuves d’observation solides pour étudier la physique afin de comprendre ce qui se passe. »

Dans la nouvelle étude, Sun, Faucher-Giguère et leur équipe ont utilisé des simulations informatiques avancées pour modéliser la formation des galaxies juste après le Big Bang. Les simulations ont produit des galaxies cosmiques à l’aube tout aussi brillantes que celles observées par le JWST. Les simulations font partie du projet Feedback of Relativistic Environments (FIRE), cofondé par Faucher-Giguère avec des collaborateurs du California Institute of Technology, de l’Université de Princeton et de l’Université de Californie à San Diego. La nouvelle étude inclut des collaborateurs du Center for Computational Astrophysics du Flatiron Institute, du Massachusetts Institute of Technology et de l’Université de Californie à Davis.

Les simulations FIRE combinent théorie astrophysique et algorithmes avancés pour modéliser la formation des galaxies. Les modèles permettent aux chercheurs d’étudier comment les galaxies se forment, grandissent et changent de forme, tout en tenant compte de l’énergie, de la masse, de l’impulsion et des éléments chimiques renvoyés par les étoiles.

Lorsque Sun, Faucher-Giguère et leur équipe ont effectué des simulations pour modéliser les premières galaxies formées à l’aube cosmique, ils ont découvert que les étoiles se formaient par éclats – un concept connu sous le nom de « formation d’étoiles en rafale ». Dans les galaxies massives comme la Voie lactée, les étoiles se forment à un rythme constant, leur nombre augmentant progressivement avec le temps. Mais ce qu’on appelle la formation d’étoiles en rafale se produit lorsque les étoiles se forment selon un schéma alterné : plusieurs étoiles à la fois, suivies de millions d’années de très peu de nouvelles étoiles, puis de nombreuses étoiles à nouveau.

“La formation d’étoiles en rafale est particulièrement courante dans les galaxies de faible masse”, a déclaré Faucher-Giguère. “Les détails expliquant pourquoi cela se produit font encore l’objet de recherches en cours. Mais ce que nous pensons, c’est qu’une explosion d’étoiles se forme, puis quelques millions d’années plus tard, ces étoiles explosent sous forme de supernovae. Le gaz est expulsé puis retombe. pour former de nouvelles étoiles, entraînant le cycle de formation des étoiles. Mais lorsque les galaxies deviennent suffisamment massives, elles ont une gravité beaucoup plus forte. Lorsque les supernovae explosent, elles ne sont pas assez fortes pour éjecter le gaz du système. La gravité maintient la galaxie ensemble et rassemble dans un état stable.”

Les simulations ont également pu produire la même abondance de galaxies brillantes que celle révélée par le JWST. En d’autres termes, le nombre de galaxies brillantes prédit par les simulations correspond au nombre de galaxies brillantes observées.

Bien que d’autres astrophysiciens aient émis l’hypothèse que la formation d’étoiles en rafale pourrait être responsable de la luminosité inhabituelle des galaxies à l’aube cosmique, les chercheurs du Nord-Ouest sont les premiers à utiliser des simulations informatiques détaillées pour prouver que cela est possible. Et ils ont pu le faire sans ajouter de nouveaux facteurs qui ne correspondent pas à notre modèle standard de l’univers.

“La majeure partie de la lumière dans une galaxie provient des étoiles les plus massives”, a déclaré Faucher-Giguère. “Comme les étoiles plus massives brûlent à une vitesse plus élevée, leur durée de vie est plus courte. Elles consomment rapidement leur combustible dans les réactions nucléaires. Ainsi, la luminosité d’une galaxie est plus directement liée au nombre d’étoiles qu’elle a formées au cours des derniers millions d’années. que la masse de la galaxie dans son ensemble. »