Un exemple de galaxie spirale proche, M81, où le renflement et le disque sont facilement identifiables. Crédit :NASA/JPL-Caltech/ESA/Harvard-Smithsonian CfA.
Une équipe internationale de scientifiques dirigée par le Centre d'astrobiologie (CAB, CSIC-INTA), avec la participation de l'Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), a utilisé le Gran Telescopio Canarias (GTC) pour étudier un échantillon représentatif de galaxies, à la fois disque et sphéroïdal, dans une zone du ciel profond de la constellation de la Grande Ourse pour caractériser les propriétés des populations stellaires des renflements galactiques. Les chercheurs ont pu déterminer le mode de formation et de développement de ces structures galactiques. Les résultats de cette étude ont été récemment publiés dans Le Journal d'Astrophysique .
Les chercheurs ont concentré leur étude sur les disques massifs et les galaxies sphéroïdales, en utilisant les données d'imagerie du télescope spatial Hubble et les données spectroscopiques du projet SHARDS (Survey for High-z Absorption Red and Dead Sources), un programme d'observations sur l'ensemble de la région GOODS-N (Great Observatories Origins Deep Survey—North) à travers 25 filtres différents pris avec l'instrument OSIRIS sur le Gran Telescopio Canarias (GTC), le plus grand télescope optique et infrarouge au monde, à l'observatoire du Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma, Les îles Canaries).
L'analyse des données a permis aux chercheurs de découvrir quelque chose d'inattendu :les renflements des disques de galaxies se sont formés en deux vagues. Un tiers des renflements des galaxies discales se sont formés à un décalage vers le rouge de 6,2, qui correspond à une époque ancienne de l'Univers, alors qu'il n'avait que 5% de son âge actuel, environ 900 millions d'années. "Ces renflements sont les reliques des premières structures formées dans l'Univers, que nous avons trouvé cachées dans des galaxies à disques locales", explique Luca Costantin, chercheur au CAB dans le cadre d'un programme Attirer les Talents de la Communauté de Madrid, et le premier auteur sur le papier.
Images de certaines des galaxies étudiées dans le présent travail, beaucoup plus loin et plus faible, de sorte que l'étude de leurs structures est plus complexe et n'est possible qu'avec des données très précises fournies par le GTC et Hubble. La galaxie à gauche, et la centrale sont deux galaxies à disques, tandis que celui de droite est sphéroïdal. Crédit :Luca Costantin et al.
Mais en revanche, près des deux tiers des renflements observés présentent une valeur moyenne de redshift de l'ordre de 1,3, ce qui signifie qu'ils ont été formés beaucoup plus récemment, correspondant à un âge de quatre milliards d'années, soit près de 35 % de l'âge de l'Univers.
Une caractéristique particulière qui permet la distinction entre les deux vagues est que les renflements centraux de la première vague, les vieux renflements, sont plus compacts et denses que ceux formés dans le second, vague plus récente. En outre, les données des galaxies sphéroïdales de l'échantillon montrent une valeur moyenne de décalage vers le rouge de 1,1, ce qui suggère qu'ils se sont formés dans le même temps général que les renflements de la deuxième vague.
Pour Jairo Méndez Abreu, chercheur à l'Université de Grenade (UGR) et co-auteur de l'article, qui était auparavant chercheur postdoctoral Severo Ochoa à l'IAC, "l'idée derrière la technique utilisée pour observer les étoiles dans le renflement central est assez simple, mais il n'a été possible de l'appliquer qu'au développement récent de méthodes qui ont permis de séparer la lumière des étoiles du renflement central de celles du disque, pour être précis les algorithmes GASP2D et C2D, que nous avons développées récemment et qui nous ont permis d'atteindre une précision sans précédent".
Image de l'étude du ciel profond par le télescope spatial Hubble, appelé GOODS-N (Great Observatories Origins Deep Survey - North). Crédit :NASA, ESA, G. Illingworth (Université de Californie, Santa Cruz), P. Oesch (Université de Californie, Santa Cruz; Université de Yale), R. Bouwens et I. Labbé (Université de Leyde), et l'équipe scientifique.
Un autre résultat important de l'étude est que les deux vagues de formation de renflement diffèrent non seulement en termes d'âge de leurs étoiles, mais aussi en termes de taux de formation d'étoiles. Les données indiquent que les étoiles dans les renflements de la première vague se sont formées rapidement, sur des échelles de temps généralement de 200 millions d'années. Au contraire, une fraction importante des étoiles dans les renflements de la deuxième vague a nécessité des temps de formation cinq fois plus longs, quelques milliards d'années.
"Nous avons découvert que l'Univers a deux façons de former les zones centrales des galaxies comme la nôtre :commencer tôt et fonctionner très rapidement, ou prendre le temps de commencer, mais formant finalement un grand nombre d'étoiles dans ce que nous appelons le renflement", commente Pablo G. Pérez González, chercheur au CAB, et chercheur principal du projet SHARDS, qui a fourni des données essentielles pour cette étude. Selon les mots d'Antonio Cabrera, le Chef des Opérations Scientifiques du GTC, "SHARDS est un parfait exemple de ce qui est possible grâce à la combinaison de l'énorme capacité de collecte du GTC et des conditions extraordinaires de l'observatoire Roque de los Muchachos, produire 180 heures de données avec une qualité d'image aussi excellente, indispensable à la détection des objets analysés ici".
Comme le décrit Paola Dimauro, chercheur à l'Observatoire national du Brésil et co-auteur de cet article, "cette étude nous a permis d'explorer l'évolution morphologique et l'histoire de l'assemblage des composants structuraux des galaxies, analogue aux études archéologiques, analyser les informations codées dans les millions d'étoiles de chaque galaxie. Le point intéressant était de constater que toutes les structures ne se sont pas formées en même temps, ou de la même manière".
Les résultats de cette étude ont permis aux observateurs d'établir un curieux parallèle entre la formation et l'évolution dans le temps des études de galaxies à disques et la création et le développement d'une grande ville au cours des siècles. Tout comme nous constatons que certaines grandes villes ont des centres historiques, qui sont plus anciens et abritent les bâtiments les plus anciens dans des ruelles encombrées, les résultats de ces travaux suggèrent que certains des centres de galaxies à disques massifs abritent certains des plus anciens sphéroïdes formés dans l'Univers, qui ont continué à acquérir du matériel, former des disques plus lentement, la nouvelle périphérie de la ville dans notre analogie.
