Les premières galaxies pourraient être étonnamment grandes et complexes

A1689-zD1 – une jeune galaxie active en formation d’étoiles légèrement moins lumineuse et moins massive que la Voie lactée – est située à environ 13 milliards d’années-lumière de la Terre dans l’amas de la constellation de la Vierge. Il a été découvert caché derrière l’amas de galaxies Abell 1689 en 2007 et confirmé en 2015 grâce à la lentille gravitationnelle, qui a amplifié la luminosité de la jeune galaxie de plus de 9x. Depuis lors, les scientifiques ont continué à étudier la galaxie en tant qu’analogue possible de l’évolution d’autres galaxies “normales”. Cette étiquette – normale – est une distinction importante qui a aidé les chercheurs à diviser les comportements et les caractéristiques d’A1689-zD1 en deux catégories : typique et inhabituel, les caractéristiques inhabituelles imitant celles des galaxies plus récentes et plus massives.

“A1689-zD1 est situé au tout début de l’Univers – seulement 700 millions d’années après le Big Bang. C’est l’ère où les galaxies commençaient à peine à se former”, a déclaré Hollis Akins, étudiant de premier cycle en astronomie au Grinnell College et directeur auteur de la recherche. “Ce que nous voyons dans ces nouvelles observations est la preuve de processus qui peuvent contribuer à l’évolution de ce que nous appelons des galaxies normales par opposition aux galaxies massives. Plus important encore, ces processus sont ceux que nous ne pensions pas auparavant appliqués à ces galaxies normales. “

L’un de ces processus peu courants est la production et la distribution par la galaxie de carburant de formation d’étoiles, et potentiellement d’une grande quantité. L’équipe a utilisé le récepteur Band 6 hautement sensible d’ALMA pour se concentrer sur un halo de gaz carbonique qui s’étend bien au-delà du centre de la jeune galaxie. Cela pourrait être la preuve de la formation continue d’étoiles dans la même région ou le résultat de perturbations structurelles, telles que des fusions ou des sorties, dans les premiers stades de la formation de la galaxie.

Selon Akins, c’est inhabituel pour les premières galaxies. “Le gaz carbonique que nous avons observé dans cette galaxie se trouve généralement dans les mêmes régions que l’hydrogène gazeux neutre, qui est également l’endroit où de nouvelles étoiles ont tendance à se former. Si tel est le cas avec A1689-zD1, la galaxie est probablement beaucoup plus grande qu’on ne le pensait auparavant. Il est également possible que ce halo soit un vestige d’une activité galactique antérieure, comme des fusions qui ont exercé des forces gravitationnelles complexes sur la galaxie conduisant à l’éjection d’une grande quantité de gaz neutre à ces grandes distances. La galaxie était probablement active et dynamique, et nous apprenons que cela peut être un thème commun, bien qu’inobservé auparavant, dans la formation des premières galaxies.”

Plus que rare, la découverte pourrait avoir des implications importantes pour l’étude de l’évolution galactique, en particulier lorsque les observations radio révèlent des détails invisibles aux longueurs d’onde optiques. Seiji Fujimoto, chercheur postdoctoral au Cosmic Dawn Center de l’Institut Niels Bohr, et co-auteur de la recherche, a déclaré : “L’émission du gaz carbonique dans A1689-zD1 est beaucoup plus étendue que ce qui a été observé avec le télescope spatial Hubble, et cela pourrait signifier que les premières galaxies ne sont pas aussi petites qu’elles le paraissent. Si, en fait, les premières galaxies sont plus grandes que nous ne le pensions auparavant, cela aurait un impact majeur sur la théorie de la formation et de l’évolution des galaxies dans l’Univers primitif.

Dirigée par Akins, l’équipe a également observé des écoulements de gaz chauds et ionisés – généralement causés par une activité galactique violente comme les supernovae – poussant vers l’extérieur depuis le centre de la galaxie. Il est possible, compte tenu de leur nature potentiellement explosive, que les écoulements aient quelque chose à voir avec le halo de carbone. “Les écoulements se produisent à la suite d’activités violentes, telles que l’explosion de supernovae – qui propulsent des matières gazeuses à proximité hors de la galaxie – ou des trous noirs au centre des galaxies – qui ont de puissants effets magnétiques qui peuvent éjecter des matières dans de puissants Pour cette raison, il y a une forte possibilité que les écoulements chauds aient quelque chose à voir avec la présence du halo de carbone froid », a déclaré Akins. “Et cela souligne encore l’importance de la nature multiphase, ou chaude à froide, du gaz sortant.”

Darach Watson, professeur agrégé au Cosmic Dawn Center de l’Institut Niels Bohr et co-auteur de la nouvelle recherche a confirmé qu’A1689-zD1 était une galaxie à décalage vers le rouge élevé en 2015, ce qui en fait la galaxie poussiéreuse la plus éloignée connue. “Nous avons vu ce type d’émission de halo de gaz étendu provenant de galaxies qui se sont formées plus tard dans l’Univers, mais le voir dans une galaxie si ancienne signifie que ce type de comportement est universel même dans les galaxies plus modestes qui ont formé la plupart des étoiles de l’Univers. Comprendre comment ces processus se sont produits dans une si jeune galaxie est essentiel pour comprendre comment la formation d’étoiles se produit dans l’Univers primordial.”

Kirsten Knudsen, professeur d’astrophysique au Département de l’espace, de la Terre et de l’environnement de l’Université de technologie de Chalmers, et co-auteur de la recherche, a trouvé des preuves du continuum de poussière d’A1689-zD1 en 2017. Knudsen a souligné le rôle fortuit de la gravité extrême lentille en rendant possible chaque nouvelle découverte dans la recherche. “Parce que A1689-zD1 est agrandi plus de neuf fois, nous pouvons voir des détails critiques qui sont autrement difficiles à observer dans les observations ordinaires de galaxies aussi éloignées. En fin de compte, ce que nous voyons ici, c’est que les premières galaxies de l’Univers sont très complexes, et cela galaxy continuera à présenter de nouveaux défis et résultats de recherche pendant un certain temps.”

Le Dr Joe Pesce, responsable du programme NSF pour ALMA, a ajouté : “Cette recherche fascinante d’ALMA s’ajoute à un nombre croissant de résultats indiquant que les choses ne sont pas tout à fait comme nous l’avions prévu dans l’Univers primitif, mais elles sont néanmoins vraiment intéressantes et passionnantes !”

La spectroscopie et les observations infrarouges d’A1689-zD1 sont prévues pour janvier 2023, à l’aide de l’unité de champ intégrale (IFU) NIRSpec et de NIRCam sur le télescope spatial James Webb. Les nouvelles observations viendront compléter les données HST et ALMA précédentes, offrant un regard multi-longueur d’onde plus profond et plus complet sur la jeune galaxie.