Si jeune et déjà si évolué :grâce aux observations obtenues au Grand Télescope binoculaire, une équipe internationale de chercheurs coordonnée par Paolo Saracco de l'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF, Italie) a pu reconstituer l'histoire évolutive sauvage d'une galaxie extrêmement massive qui existait il y a 12 milliards d'années, quand l'univers n'avait que 1,8 milliard d'années, moins de 13 % de son âge actuel. Cette galaxie, surnommé C1-23152, formé en seulement 500 millions d'années, un temps incroyablement court pour donner naissance à une masse d'environ 200 milliards de soleils. Faire cela, il produit jusqu'à 450 étoiles par an, plus d'un par jour, un taux de formation d'étoiles près de 300 fois supérieur au taux actuel de la Voie lactée. Les informations obtenues à partir de cette étude seront fondamentales pour les modèles de formation de galaxies pour des objets dont il est actuellement difficile de rendre compte.

Les galaxies les plus massives de l'univers atteignent des masses plusieurs centaines de milliards de fois celle du soleil, et bien qu'elles ne représentent numériquement qu'un tiers de toutes les galaxies, elles contiennent plus de 70 % des étoiles de l'univers. Pour cette raison, la vitesse à laquelle ces galaxies se sont formées et la dynamique impliquée sont parmi les questions les plus débattues de l'astrophysique moderne. Le modèle actuel de formation des galaxies - le modèle dit hiérarchique - prédit que les galaxies plus petites se sont formées plus tôt, tandis que des systèmes plus massifs se sont formés plus tard, par des fusions ultérieures des petites galaxies préexistantes.

D'autre part, certaines des propriétés des galaxies les plus massives observées dans l'univers local, comme l'âge de leurs populations stellaires, suggèrent plutôt qu'ils se sont formés à des époques précoces. Malheureusement, la variété des phénomènes évolutifs que peuvent subir les galaxies au cours de leur vie ne permet pas aux astronomes de définir la manière dont elles se sont formées, laissant de grandes marges d'incertitude. Cependant, une réponse à ces questions peut venir de l'étude des propriétés des galaxies massives dans l'univers primitif, aussi proche que possible du moment où ils formaient la majeure partie de leur masse.

Dix-sept heures d'observations spectroscopiques de la galaxie elliptique C1-23152 avec le Large Binocular Telescope (LBT) ont permis à l'équipe de Saracco de reconstituer son histoire évolutive à une période où l'univers avait moins de 13% de son âge actuel. "Les données montrent que le temps de formation de C1-23152, C'est, le temps écoulé entre la formation des premières étoiles depuis le gaz préexistant jusqu'au moment où la formation des étoiles avait presque complètement cessé, est inférieure à 500 millions d'années, " dit Paolo Saracco, chercheur à l'INAF de Milan et premier auteur de l'article publié dans Le Journal d'Astrophysique . "Aussi, à partir des données collectées avec LBT, nous avons pu établir que dans ce court laps de temps, correspondant à moins de quatre centièmes de l'âge de l'univers, la galaxie a formé une masse égale à environ 200 milliards d'étoiles comme le soleil, C'est, environ 450 soleils par an. Notre galaxie, la voie Lactée, ne forme désormais plus que deux par an, " ajoute Danilo Marchesini, professeur titulaire à l'Université Tufts et deuxième auteur de l'article. En outre, la grande quantité d'informations recueillies a permis à l'équipe de quantifier pour la première fois l'abondance d'éléments chimiques plus lourds que l'hélium (ce qu'on appelle la métallicité) dans une galaxie si lointaine :les étoiles de cette galaxie ont, étonnamment, une métallicité supérieure à celle du soleil, similaire à celle observée dans les galaxies les plus massives de l'univers aujourd'hui.

"Ces observations ont montré que la formation des galaxies les plus massives de l'univers peut se produire extrêmement rapidement, à travers un processus de formation d'étoiles extrêmement intense dans l'univers primordial, comme pour C1-23152, " dit Francesco La Barbera, chercheur à l'INAF de Naples.

« Comprendre si le scénario qui décrit la formation de C1-23152 est un cas particulier ou si, au contraire, c'est ce qui se passe pour la plupart des galaxies les plus massives de l'univers, est d'une importance fondamentale, car cela nécessiterait une révision profonde des modèles de formation des galaxies, " ajoute Adriana Gargiulo, également chercheur à l'INAF de Milan et co-auteur de l'étude.

La formation de masses stellaires aussi élevées que pour C1-23152 nécessite à la fois des masses élevées de gaz à convertir en étoiles et des conditions physiques particulières. Un scénario possible émis par les chercheurs est que des nuages ​​de gaz primordiaux massifs, tombant sous l'effet de la force gravitationnelle dans la même région, entrer en collision, déclenchant des processus violents et massifs de formation d'étoiles. Du point de vue observationnel, les précurseurs des galaxies les plus massives pourraient donc être des galaxies lointaines avec un taux de formation d'étoiles très élevé.

"Pour tester nos hypothèses, les observations que la prochaine génération d'instrumentation nous permettra de réaliser seront déterminantes, en particulier, le James Webb Space Telescope (JWST) qui sera mis en orbite fin 2021, et l'Extremely Large Telescope (ELT), le plus grand télescope au sol jamais construit, avec un miroir principal de 39 mètres de diamètre, qui sera opérationnel en 2026, " conclut Saracco.