Les astronomes s'attendent à ce que les premières galaxies, ceux qui se sont formés quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, partagerait de nombreuses similitudes avec certaines des galaxies naines que nous voyons dans l'univers proche aujourd'hui. Ces premières agglomérations de quelques milliards d'étoiles deviendraient alors les éléments constitutifs des plus grandes galaxies qui en sont venues à dominer l'univers après les premiers milliards d'années.

Observations en cours avec l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), cependant, ont découvert des exemples surprenants de massif, galaxies remplies d'étoiles vues lorsque le cosmos avait moins d'un milliard d'années. Cela suggère que les blocs de construction galactiques plus petits ont pu s'assembler assez rapidement en grandes galaxies.

Les dernières observations d'ALMA repoussent encore plus loin cette époque de formation de galaxies massives en identifiant deux galaxies géantes vues alors que l'univers n'avait que 780 millions d'années, ou environ 5 pour cent de son âge actuel. ALMA a également révélé que ces galaxies exceptionnellement grandes sont nichées à l'intérieur d'une structure cosmique encore plus massive, un halo de matière noire plusieurs milliards de fois plus massif que le soleil.

Les deux galaxies sont si proches - moins que la distance de la Terre au centre de notre galaxie - qu'elles fusionneront sous peu pour former la plus grande galaxie jamais observée à cette période de l'histoire cosmique. Cette découverte apporte de nouveaux détails sur l'émergence de grandes galaxies et le rôle que joue la matière noire dans l'assemblage des structures les plus massives de l'univers.

Les chercheurs rapportent leurs découvertes dans la revue La nature .

"Avec ces exquises observations d'ALMA, les astronomes voient la galaxie la plus massive connue dans le premier milliard d'années de l'univers en train de s'assembler, " a déclaré Dan Marrone, professeur agrégé d'astronomie à l'Université de l'Arizona à Tucson et auteur principal de l'article.

Les astronomes voient ces galaxies pendant une période de l'histoire cosmique connue sous le nom d'époque de la réionisation, quand la majeure partie de l'espace intergalactique était baignée d'un brouillard obscurcissant d'hydrogène gazeux froid. Au fur et à mesure de la formation d'étoiles et de galaxies, leur énergie a fini par ioniser l'hydrogène entre les galaxies, révélant l'univers tel que nous le voyons aujourd'hui.

"Nous considérons généralement cela comme le temps des petites galaxies travaillant dur pour ronger le milieu intergalactique neutre, " dit Marrone. " Monter des preuves d'observation avec ALMA, cependant, a contribué à remodeler cette histoire et continue de repousser le moment où les galaxies vraiment massives ont émergé pour la première fois dans l'univers. »

Les galaxies que Marrone et son équipe ont étudiées, collectivement connu sous le nom SPT0311-58, ont été identifiés à l'origine comme une source unique par le télescope du pôle Sud. Ces premières observations ont indiqué que cet objet était très éloigné et brillait vivement dans la lumière infrarouge, ce qui signifie qu'il était extrêmement poussiéreux et traversait probablement une explosion de formation d'étoiles. Des observations ultérieures avec ALMA ont révélé la distance et la double nature de l'objet, résolvant clairement la paire de galaxies en interaction.

Pour faire ce constat, ALMA a eu de l'aide d'une lentille gravitationnelle, qui a fourni un coup de pouce d'observation au télescope. Les lentilles gravitationnelles se forment lorsqu'un objet massif intervenant, comme une galaxie ou un amas de galaxies, courbe la lumière des galaxies plus éloignées. Ils font, cependant, déformer l'apparence de l'objet étudié, nécessitant des modèles informatiques sophistiqués pour reconstruire l'image telle qu'elle apparaîtrait dans son état inchangé.

Ce processus de "dé-lentille" a fourni des détails intrigants sur les galaxies, montrant que la plus grande des deux forme des étoiles à un taux de 2, 900 masses solaires par an. Il contient également environ 270 milliards de fois la masse de notre soleil en gaz et près de 3 milliards de fois la masse de notre soleil en poussière. "C'est une énorme quantité de poussière, compte tenu du jeune âge du système, " a noté Justin Spilker, un récent diplômé de l'Université de l'Arizona et maintenant chercheur postdoctoral à l'Université du Texas à Austin.

Les astronomes ont déterminé que la formation rapide d'étoiles de cette galaxie a probablement été déclenchée par une rencontre rapprochée avec son compagnon légèrement plus petit, qui abrite déjà environ 35 milliards de masses solaires d'étoiles et augmente son taux d'étoiles au rythme effréné de 540 masses solaires par an.

Les chercheurs notent que les galaxies de cette époque sont "plus désordonnées" que celles que nous voyons dans l'univers voisin. Leurs formes plus confuses seraient dues aux vastes réserves de gaz qui pleuvaient sur eux et à leurs interactions et fusions en cours avec leurs voisins.

Les nouvelles observations ont également permis aux chercheurs de déduire la présence d'un halo de matière noire vraiment massif entourant les deux galaxies. La matière noire fournit l'attraction de la gravité qui provoque l'effondrement de l'univers en structures (galaxies, groupes et amas de galaxies, etc.).

"Si vous voulez voir si une galaxie a un sens dans notre compréhension actuelle de la cosmologie, vous voulez regarder le halo de matière noire - la structure de matière noire effondrée - dans laquelle il réside, " a déclaré Chris Hayward, chercheur associé au Center for Computational Astrophysics du Flatiron Institute de New York. "Heureusement, nous connaissons très bien le rapport entre la matière noire et la matière normale dans l'univers, ainsi nous pouvons estimer ce que doit être la masse du halo de matière noire."

En comparant leurs calculs avec les prédictions cosmologiques actuelles, les chercheurs ont découvert que ce halo est l'un des plus massifs qui devraient exister à cette époque.

"Il y a plus de galaxies découvertes avec le télescope du pôle Sud que nous suivons, " a déclaré Joaquin Vieira de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, "et il y a beaucoup plus de données d'enquête que nous commençons tout juste à analyser. Notre espoir est de trouver plus d'objets comme celui-ci, peut-être encore plus éloignés, pour mieux comprendre cette population de galaxies extrêmement poussiéreuses et surtout leur relation avec la population massive de galaxies à cette époque."

"Dans tous les cas, notre prochaine série d'observations ALMA devrait nous aider à comprendre à quelle vitesse ces galaxies se sont réunies et à améliorer notre compréhension de la formation massive de galaxies pendant la réionisation, " ajouta Marrone.