Image infrarouge IRAC/Spitzer d'un champ contenant une galaxie lumineuse ultrarouge dont la lumière voyage vers nous depuis environ 12 milliards d'années. Les astronomes ont terminé des études détaillées de trois cents galaxies lumineuses ultrarouges formant des étoiles dans l'univers primitif, vingt-trois d'entre elles sont des galaxies à lentilles gravitationnelles. Bien que cette sous-classe d'objet lumineux soit trop rare pour pouvoir rendre compte des ancêtres des galaxies massives au repos locales, il représente les galaxies de formation d'étoiles les plus extrêmes de l'univers. (Le cercle blanc montre la taille de 36" du faisceau infrarouge lointain, le cercle rouge indique l'emplacement de la source lumineuse submillimétrique ; d'autres objets sont également sur le terrain). Crédit :Ma et al., 2020
La formation des étoiles a lieu dans les nuages natals de poussière et de gaz qui absorbent une grande partie du rayonnement ultraviolet et optique émis, mais qui bloquent également ces régions de la vue optique. Au cours des dernières décennies, cependant, les observatoires spatiaux infrarouges comme Herschel et Spitzer ont révolutionné notre compréhension de la formation d'étoiles obscurcies dans les galaxies poussiéreuses, car la lumière infrarouge peut pénétrer dans les nuages de poussière pour révéler les étoiles en cours de formation. Herschel et Spitzer ont découvert un grand nombre de très poussiéreux, des galaxies de formation d'étoiles très rouges qui sont immensément lumineuses dans l'infrarouge (dépassant un billion de luminosités solaires) mais qui ne sont pas vues à des longueurs d'onde plus courtes. En réalité, ces galaxies poussiéreuses sont responsables de la majeure partie de la lumière de fond infrarouge dans le cosmos. Certains de ces objets présentent les types d'étoiles les plus extrêmes connus, avec des taux de formation d'étoiles dépassant le millier par an, mais qui sont aussi extrêmement rares avec en moyenne un seul d'entre eux dans un volume de quelques centaines de milliards d'années-lumière cubes.
La mission Herschel, explorer le ciel dans les bandes de longueur d'onde de l'infrarouge lointain où l'émission de poussières culmine, découvert des milliers de candidats galaxies poussiéreux. L'astronome de CfA Matt Ashby était membre d'une grande équipe d'astronomes qui a aidé à caractériser plus complètement ces galaxies. L'équipe a identifié un ensemble de trois cents galaxies "ultra-rouges" (c'est-à-dire, plus brillant aux longueurs d'onde infrarouges les plus longues) et qui avait également été observé à des longueurs d'onde infrarouges plus courtes par la caméra IRAC sur Spitzer. L'équipe a rassemblé des données submillimétriques et millimétriques supplémentaires pour évaluer pleinement la production de ces galaxies, et des spectres pour déterminer leurs distances et luminosités. La galaxie la plus éloignée qu'ils ont trouvée date d'environ un milliard d'années après le big bang (un décalage vers le rouge de 6,02); c'est l'une des vingt-trois sources de l'étude qui sont confirmées comme étant gravitationnellement.
Les astronomes concluent que ces galaxies ultrarouges, bien qu'ils comprennent certaines des galaxies les plus lumineuses et massives connues, sont trop rares pour représenter les progéniteurs stellaires du local, galaxies au repos; d'autres types de galaxies devront remplir ce rôle. Mais la nouvelle étude a identifié les cas les plus extrêmes, et d'autres enquêtes sur ces monstres aideront à déterminer comment fonctionne la formation extrême d'étoiles dans l'univers.