En utilisant l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), les astronomes ont découvert une petite galaxie en rotation 1/100e de la taille de la Voie lactée à une époque où l'univers n'avait que 7 pour cent de son âge actuel. Grâce à l'assistance par effet de lentille gravitationnelle, l'équipe a pu explorer pour la première fois la nature des "galaxies normales" petites et sombres dans l'univers primitif, représentatif de la population principale des premières galaxies, ce qui fait considérablement progresser notre compréhension de la phase initiale de l'évolution des galaxies.

"Beaucoup de galaxies qui existaient dans l'univers primitif étaient si petites que leur luminosité est bien inférieure à la limite des plus grands télescopes actuels sur Terre et dans l'espace, rendant difficile l'étude de leurs propriétés et de leur structure interne, " dit Nicolas Laporte, un Kavli Senior Fellow à l'Université de Cambridge. "Toutefois, la lumière provenant de la galaxie nommée RXCJ0600-z6, était fortement amplifié par la lentille gravitationnelle, ce qui en fait une cible idéale pour étudier les propriétés et la structure d'un bébé galaxie typique."

La lentille gravitationnelle est un phénomène naturel dans lequel la lumière émise par un objet distant est courbée par la gravité d'un corps massif tel qu'une galaxie ou un amas de galaxies situé au premier plan. Le nom "lentille gravitationnelle" est dérivé du fait que la gravité de l'objet massif agit comme une lentille. Quand on regarde à travers une lentille gravitationnelle, la lumière des objets lointains est intensifiée et leurs formes s'étirent. En d'autres termes, c'est un "télescope naturel" flottant dans l'espace.

L'équipe ALMA Lensing Cluster Survey (ALCS) a utilisé ALMA pour rechercher un grand nombre de galaxies dans l'univers primitif qui sont agrandies par la lentille gravitationnelle. Combinant la puissance d'ALMA, à l'aide des télescopes naturels, les chercheurs sont capables de découvrir et d'étudier des galaxies plus faibles.

Pourquoi est-il crucial d'explorer les galaxies les plus faibles de l'univers primitif ? La théorie et les simulations prédisent que la majorité des galaxies formées quelques centaines de millions d'années après le Big Bang sont petites, et donc faible. Bien que plusieurs galaxies dans l'univers primitif aient déjà été observées, ceux étudiés se sont limités aux objets les plus massifs, et donc les galaxies les moins représentatives de l'univers primitif, en raison des capacités du télescope. La seule façon de comprendre la formation standard des premières galaxies, et obtenir une image complète de la formation des galaxies, est de se concentrer sur les galaxies les plus faibles et les plus nombreuses.

L'équipe ALCS a réalisé un programme d'observation à grande échelle qui a duré 95 heures, ce qui est très long pour les observations ALMA, d'observer les régions centrales de 33 amas de galaxies qui pourraient provoquer des lentilles gravitationnelles. L'un de ces clusters, appelé RXCJ0600-2007, est situé en direction de la constellation de Lepus, et a une masse 1000 trillions de fois celle du Soleil. L'équipe a découvert une seule galaxie lointaine qui est affectée par la lentille gravitationnelle créée par ce télescope naturel. ALMA a détecté la lumière des ions carbone et de la poussière d'étoile dans la galaxie, et avec les données prises avec le télescope Gemini, déterminé que la galaxie est vue telle qu'elle était environ 900 millions d'années après le Big Bang (il y a 12,9 milliards d'années). Une analyse plus poussée de ces données a suggéré qu'une partie de cette source est perçue 160 fois plus lumineuse qu'elle ne l'est intrinsèquement.

En mesurant précisément la distribution de masse de l'amas de galaxies, il est possible « d'annuler » l'effet de lentille gravitationnelle et de restaurer l'apparence d'origine de l'objet agrandi. En combinant les données du télescope spatial Hubble et du très grand télescope de l'Observatoire européen austral avec un modèle théorique, l'équipe a réussi à reconstituer la forme réelle de la galaxie lointaine RXCJ0600-z6. La masse totale de cette galaxie est environ 2 à 3 milliards de fois celle du Soleil, ce qui représente environ 1/100e de la taille de notre propre galaxie de la Voie lactée.

Ce qui a étonné l'équipe, c'est que le RXCJ0600-z6 tourne. Traditionnellement, On pensait que le gaz dans les jeunes galaxies avait aléatoire, mouvement chaotique. Ce n'est que récemment qu'ALMA a découvert plusieurs jeunes galaxies en rotation qui ont remis en cause le cadre théorique traditionnel, mais ceux-ci étaient plusieurs ordres de grandeur plus brillants (plus grands) que RXCJ0600-z6.

« Notre étude démontre, pour la première fois, que nous pouvons mesurer directement le mouvement interne de ces galaxies faibles (moins massives) dans l'Univers primitif et le comparer avec les prédictions théoriques", dit Kotaro Kohno, professeur à l'Université de Tokyo et chef de l'équipe ALCS.

« Le fait que le RXCJ0600-z6 ait un facteur de grossissement très élevé suscite également des attentes pour les recherches futures, " explique Seiji Fujimoto, un boursier DAWN à l'Institut Niels Bohr. "Cette galaxie a été sélectionnée, parmi des centaines, à observer par le télescope spatial James Webb (JWST), le télescope spatial de nouvelle génération qui sera lancé cet automne. Grâce à des observations conjointes utilisant ALMA et JWST, nous dévoilerons les propriétés du gaz et des étoiles dans une galaxie bébé et ses mouvements internes. Lorsque le télescope de trente mètres et le télescope extrêmement grand sont terminés, ils pourront peut-être détecter des amas d'étoiles dans la galaxie, et peut-être même résoudre des étoiles individuelles. Il existe un exemple de lentille gravitationnelle qui a été utilisée pour observer une seule étoile à 9,5 milliards d'années-lumière, et cette recherche a le potentiel de l'étendre à moins d'un milliard d'années après la naissance de l'Univers."

Ces résultats d'observation ont été présentés dans Seiji Fujimoto et al. « Enquête sur les grappes de lentilles ALMA :lignes lumineuses [CII] 158 m d'une galaxie Sub-L* à imagerie multiple à z =6,0719 » dans le Journal d'astrophysique le 22 avril, 2021, et Nicolas Laporte et al. « Enquête sur les grappes de lentilles ALMA :un système poussiéreux à images multiples et à lentilles multiples à z> 6" dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society le 22 avril, 2021.