Impression d'artiste d'un ancêtre de galaxies semblables à la Voie lactée dans l'univers primitif avec un quasar en arrière-plan brillant à travers un "super halo" d'hydrogène gazeux entourant la galaxie. De nouvelles observations ALMA de deux de ces galaxies révèlent que ces vastes halos s'étendent bien au-delà de la poussière des galaxies, disques de formation d'étoiles. Les galaxies ont d'abord été trouvées par l'absorption de la lumière de fond des quasars passant à travers les galaxies. ALMA a pu imager le carbone ionisé dans les disques des galaxies, révélant des détails cruciaux sur leurs structures. Crédit :A. Angelich (NRAO/AUI/NSF)
Depuis des décennies, les astronomes ont trouvé des galaxies lointaines en détectant la manière caractéristique dont leur gaz absorbe la lumière d'un quasar brillant en arrière-plan. Mais les efforts pour observer la lumière émise par ces mêmes galaxies ont pour la plupart échoué. Maintenant, une équipe d'astronomes utilisant l'Atacama Large Millimeter Array (ALMA) au Chili a observé des émissions de deux galaxies lointaines initialement détectées par leurs signatures d'absorption de quasar, et les résultats n'étaient pas ceux qu'ils attendaient.
Pour une chose, les émissions induites par la formation d'étoiles dans les galaxies étaient séparées par une distance surprenante du gaz dense révélé par l'absorption des quasars, indiquant que les galaxies sont noyées dans un halo étendu d'hydrogène gazeux. Les taux de formation d'étoiles estimés étaient également étonnamment élevés.
"Nous nous attendions à voir de faibles émissions juste au-dessus du quasar, et à la place, nous avons vu des galaxies brillantes à de grandes séparations du quasar, " a déclaré J. Xavier Prochaska, professeur d'astronomie et d'astrophysique à l'UC Santa Cruz et coauteur d'un article sur les nouvelles découvertes publié le 24 mars dans Science .
L'hydrogène gazeux neutre révélé par son absorption de la lumière des quasars fait très probablement partie d'un grand halo ou d'un disque de gaz étendu autour de la galaxie, dit le premier auteur Marcel Neeleman, un boursier postdoctoral à l'UC Santa Cruz. "Ce n'est pas là que se trouve la formation d'étoiles, et de voir tellement de gaz que loin de la région de formation des étoiles, il y a une grande quantité d'hydrogène neutre autour de la galaxie, " Neeleman a déclaré. "Nous ne savons pas si c'est dans un grand, disque étendu de gaz qui tombe dedans, ou si c'est juste un halo de gaz très dense autour de la galaxie."
L'absorption de la lumière d'un quasar de fond révèle des concentrations d'hydrogène gazeux neutre dans les systèmes « Lyman-alpha amortis ». De nouvelles observations de deux systèmes ont révélé les galaxies associées. Comme on le voit sur cette image en fausses couleurs, le gaz est détecté à une distance surprenante de la région de formation d'étoiles, indiquant un grand halo ou un disque de gaz étendu autour de la galaxie. Dans ce système, la séparation est d'environ 137, 000 années-lumière (42 kiloparsecs). Crédit :M. Neeleman
Le spectre d'émission de l'une des galaxies indique la présence d'un disque en rotation, a noté Prochaska. "Ces galaxies semblent être massives, poussiéreux, et des systèmes à formation rapide d'étoiles, avec grand, couches étendues de gaz, ", a-t-il déclaré. "Ces observations nous donnent un aperçu formidable de l'apparence des galaxies comme notre Voie lactée il y a 13 milliards d'années."
Pour Prochaska, l'article représente l'aboutissement d'une quête qu'il a commencée en 2003 avec son doctorat. conseiller à l'UC San Diego, feu Arthur M. Wolfe (également co-auteur de l'article). Wolfe a été le pionnier de l'utilisation des spectres de quasars pour étudier les concentrations d'hydrogène gazeux neutre dans l'univers lointain, connus sous le nom de systèmes Lyman-alpha amortis (DLA) en raison de l'absorption caractéristique des empreintes d'hydrogène gazeux sur la lumière du quasar de fond. Wolfe a également vu le potentiel d'ALMA à détecter les émissions de ces systèmes bien avant l'achèvement de l'observatoire radio en 2011.
« Cela fait 14 ans qu'on veut faire ça, " a déclaré Prochaska. "Le 'Saint Graal' a été d'identifier et d'étudier les galaxies qui hébergent l'hydrogène gazeux que nous voyons dans les spectres des quasars, et il a fallu une installation avec la capacité d'ALMA pour le faire."
Les chercheurs ont utilisé ALMA pour rechercher des signatures d'émission dans l'infrarouge lointain des galaxies qu'ils savaient pouvoir distinguer de la lumière brillante des quasars. Le carbone ionisé émet une raie spectrale brillante à une longueur d'onde caractéristique dans l'infrarouge (158 microns), que les astronomes peuvent utiliser comme traceur de la structure galactique dans l'univers lointain. Les chercheurs ont également observé des émissions de poussières dans l'infrarouge lointain, ce qui leur a permis d'estimer les taux de formation d'étoiles.
L'absorption de la lumière d'un quasar de fond révèle des concentrations d'hydrogène gazeux neutre dans les systèmes « Lyman-alpha amortis ». De nouvelles observations de deux systèmes ont révélé les galaxies associées. Comme on le voit sur cette image en fausses couleurs, le gaz est détecté à une distance surprenante de la région de formation d'étoiles, indiquant un grand halo ou un disque de gaz étendu autour de la galaxie. Dans ce système, la séparation est d'environ 59, 000 années-lumière (18 kiloparsecs). Crédit :M. Neeleman
Le réseau configurable d'antennes radio d'ALMA a permis aux astronomes de concentrer leur recherche d'émissions de galaxies dans la zone autour de chacun des deux DLA, situé à une distance d'environ 13 milliards d'années-lumière. De cette distance, la lumière atteignant maintenant les télescopes donne aux astronomes un aperçu d'un stade précoce de la formation des galaxies, environ 1 milliard d'années après le big bang.
"C'est l'époque où les galaxies commençaient vraiment à décoller en termes de formation d'étoiles - une sorte de poussée de croissance adolescente avant d'atteindre le pic de formation d'étoiles environ 2 milliards d'années plus tard, " a déclaré Prochaska.
Les observations indiquent que les deux galaxies forment des étoiles à des taux modérément élevés, avec un taux de formation d'étoiles supérieur à 100 masses solaires par an pour une galaxie et environ 25 masses solaires par an pour l'autre. La séparation d'avec le quasar était d'environ 137, 000 années-lumière (42 kiloparsecs) pour une galaxie et environ 59, 000 années-lumière (18 kiloparsecs) pour l'autre.
Selon Neeleman, les astronomes ont supposé que la détection de la lumière émise par les galaxies qui hébergent les DLA est difficile car elle est cachée dans la lumière intense des quasars de fond. Compte tenu de la grande séparation de ces galaxies de leurs quasars associés, cependant, il se peut qu'ils soient plutôt obscurcis par la poussière, il a dit. Avec ALMA, les chercheurs ont pu détecter la lumière des étoiles absorbée et rerayée à des longueurs d'onde plus longues par la poussière.
Prochaska a déclaré qu'il attendait avec impatience d'obtenir des observations similaires d'un échantillon beaucoup plus grand de galaxies au cours des prochaines années.
