Les galaxies se développent en accumulant le gaz de leur environnement et en le convertissant en étoiles, mais les détails de ce processus sont restés obscurs. De nouvelles observations, réalisé à l'aide du Keck Cosmic Web Imager (KCWI) à l'observatoire W. M. Keck à Hawaï, maintenant fournir le plus clair, la preuve la plus directe à ce jour que des filaments de gaz froid se spiralent dans de jeunes galaxies, fournir le carburant pour les étoiles.

"Pour la première fois, nous voyons des filaments de gaz en spirale directement dans une galaxie. C'est comme un pipeline entrant directement, " dit Christophe Martin, professeur de physique à Caltech et auteur principal d'un nouvel article paru dans le numéro du 1er juillet de la revue Astronomie de la nature . "Ce gazoduc soutient la formation d'étoiles, expliquant comment les galaxies peuvent fabriquer des étoiles à des échelles de temps très rapides."

Pendant des années, les astronomes ont débattu de la manière exacte dont le gaz se dirige vers le centre des galaxies. Est-ce qu'il chauffe considérablement lorsqu'il entre en collision avec les gaz chauds environnants? Ou s'écoule-t-il le long de minces filaments denses, rester relativement froid? "La théorie moderne suggère que la réponse est probablement un mélange des deux, mais prouver l'existence de ces flux froids de gaz était resté jusqu'à présent un défi majeur, " dit le co-auteur Donal O'Sullivan (MS '15), un doctorat étudiant dans le groupe de Martin qui a construit une partie de KCWI.

KCWI, conçu et construit à Caltech, est une caméra d'imagerie spectrale à la pointe de la technologie. Appelé spectrographe unitaire à champ intégral, il permet aux astronomes de prendre des images telles que chaque pixel de l'image contient un spectre de lumière dispersé. Installé à Keck début 2017, KCWI est le successeur du Cosmic Web Imager (CWI), un instrument qui fonctionne à l'observatoire Palomar près de San Diego depuis 2010. KCWI a huit fois la résolution spatiale et 10 fois la sensibilité de CWI.

"Le principal moteur de la construction de KCWI était de comprendre et de caractériser le Web cosmique, mais l'instrument est très souple, et les scientifiques l'ont utilisé, entre autres, étudier la nature de la matière noire, pour enquêter sur les trous noirs, et d'affiner notre compréhension de la formation des étoiles, " dit le co-auteur Mateusz (Matt) Matuszewski (MS '02, doctorat '12), un scientifique principal des instruments à Caltech.

La question de savoir comment les galaxies et les étoiles se forment à partir d'un réseau de filaments vaporeux dans l'espace - ce qu'on appelle la toile cosmique - fascine Martin depuis qu'il est étudiant diplômé. Pour trouver des réponses, il a dirigé les équipes qui ont construit à la fois CWI et KCWI. En 2017, Martin et son équipe ont utilisé KCWI pour acquérir des données sur deux galaxies actives appelées quasars, nommé UM 287 et CSO 38, mais ce n'étaient pas les quasars eux-mêmes qu'ils voulaient étudier. A proximité de chacun de ces deux quasars se trouve une nébuleuse géante, plus grand que la Voie Lactée et visible grâce à la forte illumination des quasars. En regardant la lumière émise par l'hydrogène dans les nébuleuses, en particulier une raie d'émission atomique appelée hydrogène Lyman-alpha, ils ont pu cartographier la vitesse du gaz. D'après les observations précédentes à Palomar, l'équipe savait déjà qu'il y avait des signes de rotation dans les nébuleuses, mais les données de Keck ont ​​révélé bien plus.

« Lorsque nous utilisions auparavant le CWI de Palomar, nous avons pu voir ce qui ressemblait à un disque de gaz en rotation, mais nous n'avons pas pu distinguer de filaments, " dit O'Sullivan. " Maintenant, avec l'augmentation de la sensibilité et de la résolution avec KCWI, nous avons des modèles plus sophistiqués et pouvons voir que ces objets sont alimentés par du gaz provenant des filaments attachés, ce qui est une preuve solide que la toile cosmique est connectée à ce disque et l'alimente."

Martin et ses collègues ont développé un modèle mathématique pour expliquer les vitesses qu'ils voyaient dans le gaz et l'ont testé sur UM287 et CSO38 ainsi que sur une galaxie simulée.

"Il nous a fallu plus d'un an pour arriver au modèle mathématique pour expliquer l'écoulement radial du gaz, " dit Martin. " Une fois que nous l'avons fait, nous avons été choqués par le bon fonctionnement du modèle."

Les résultats fournissent la meilleure preuve à ce jour pour le modèle d'écoulement froid de la formation des galaxies, qui stipule essentiellement que le gaz froid peut s'écouler directement dans les galaxies en formation, où il est converti en étoiles. Avant que ce modèle ne devienne populaire, les chercheurs avaient proposé que les galaxies attirent le gaz et le réchauffent à des températures extrêmement élevées. De là, on pensait que le gaz se refroidissait progressivement, fournissant un approvisionnement régulier mais lent de carburant pour les étoiles. En 1996, recherche de Charles (Chuck) Steidel de Caltech, le professeur d'astronomie Lee A. DuBridge et co-auteur de la nouvelle étude, a remis en cause ce modèle. Lui et ses collègues ont montré que les galaxies lointaines produisent des étoiles à un rythme très élevé, trop rapide pour être expliqué par la lente décantation et le refroidissement du gaz chaud qui était un modèle privilégié pour l'alimentation des jeunes galaxies.

"Au cours des années, nous avons acquis de plus en plus de preuves pour le modèle d'écoulement à froid, " dit Martin. "Nous avons surnommé notre nouvelle version du modèle le 'cold-flow inspiral', ' puisque nous voyons le motif en spirale dans le gaz."

"Ce type de mesures est exactement le genre de science que nous voulons faire avec KCWI, " dit John O'Meara, le scientifique en chef de l'Observatoire Keck. "Nous combinons la puissance de la taille du télescope de Keck, instrumentation puissante, et un site astronomique étonnant pour repousser les limites de ce qu'il est possible d'observer. C'est très excitant de voir ce résultat en particulier, puisque l'observation directe des flux entrants a été en quelque sorte un chaînon manquant dans notre capacité à tester des modèles de formation et d'évolution des galaxies. J'ai hâte de voir la suite."

La nouvelle étude, titré, "Les afflux de gaz multifilaments alimentant les jeunes galaxies en formation d'étoiles, " a été financé par la National Science Foundation (NSF), l'Observatoire W. M. Keck, Caltech, et le Conseil européen de la recherche.