Les galaxies gigantesques que nous voyons aujourd’hui dans l’univers, y compris notre propre galaxie, la Voie lactée, étaient au départ bien plus petites. Les fusions au cours des 13,7 milliards d'années de l'univers ont progressivement rassemblé les galaxies massives d'aujourd'hui. Mais il se peut qu'ils aient commencé comme de simples amas d'étoiles.
Dans un effort pour comprendre les premières galaxies, le JWST a examiné leur ancienne lumière à la recherche d'indices sur la façon dont elles sont devenues si massives.
Le JWST peut effectivement remonter le temps jusqu’à l’époque où l’univers n’était qu’environ 5 % plus vieux qu’il ne l’est aujourd’hui. Dans ce passé lointain, les structures qui allaient devenir aussi massives que la Voie lactée, et même plus grandes, n'étaient qu'environ 1/10 000ème de leur masse actuelle. Quels indices le puissant télescope spatial infrarouge peut-il découvrir pour nous montrer comment les galaxies sont devenues si grandes ?
Un nouvel article présente les observations JWST d'une galaxie à redshift z~8.3. À ce redshift, la lumière voyage depuis plus de 13 milliards d’années et a commencé son voyage seulement 600 millions d’années après le Big Bang. La galaxie, appelée Firefly Sparkle, contient un réseau d'amas d'étoiles massifs qui témoignent de la croissance des galaxies.
L'article s'intitule "The Firefly Sparkle :Les premières étapes de l'assemblage d'une galaxie de type Voie lactée dans un univers vieux de 600 Myr". L'auteur principal est Lamiya Mowla, astronome observationnel et professeur adjoint de physique et d'astronomie au Wellesley College. L'article est en prépublication sur arXiv et n'a pas encore été évalué par des pairs.
Malgré la puissance du JWST, cette galaxie ancienne et lointaine n'est visible qu'à travers la lentille gravitationnelle d'un amas massif de galaxies au premier plan. La lentille fait apparaître le Firefly Sparkle comme un arc. Deux autres galaxies se trouvent également à proximité, appelées Firefly BF (Best Friend) et Firefly NBF (New Best Friend.)
"Le Firefly Sparkle présente les caractéristiques attendues d'une future galaxie de type Voie lactée capturée au cours de son stade de formation le plus précoce et le plus riche en gaz", écrivent les auteurs. La masse de la jeune galaxie est concentrée en 10 amas, allant d'environ 200 000 masses solaires à 630 000 masses solaires. Selon les auteurs, ces amas « chevauchent la frontière entre les galaxies de faible masse et les amas globulaires de masse élevée ».
Ces amas sont importants car ils donnent des indices sur la croissance de la galaxie. Les chercheurs ont pu évaluer l’âge des amas et leur histoire de formation d’étoiles. Ils ont constaté qu’ils avaient connu une explosion de formation d’étoiles à peu près au même moment. "Les âges des amas suggèrent qu'ils sont liés gravitationnellement à des historiques de formation d'étoiles montrant une récente explosion d'étoiles éventuellement déclenchée par l'interaction avec une galaxie compagne au même redshift à une distance projetée d'environ 2 kpc du Firefly Sparkle."
Il y a deux candidats pour la galaxie en interaction :Firefly Best Friend (BF) et Firefly New Best Friend (NBF). Mais NBF est à environ 13 kpcs, tandis que BF est à environ deux kpcs, ce qui fait de BF l'interacteur probable. "De faibles caractéristiques de luminosité de faible surface sont visibles aux coins de l'arc proches du voisin, faisant allusion à une possible interaction entre les deux galaxies [FS et BF] qui pourrait avoir déclenché une explosion de formation d'étoiles dans les deux", expliquent les chercheurs.
Les chercheurs ont accordé une attention particulière au cluster central. Ils ont découvert que la température est extrêmement élevée, à environ 40 000 Kelvin (40 000°C; 72 000°F). Elle a également une fonction de masse initiale très lourde, signe qu'elle s'est formée dans un environnement très pauvre en métaux. Ces observations et d'autres preuves montrent que Firefly Sparkle est très probablement l'ancêtre de galaxies comme la nôtre. Pour ces raisons, "... le Firefly Sparkle fournit une étude de cas sans précédent d'une galaxie semblable à la Voie lactée aux premiers stades de son assemblage dans un univers vieux de seulement 600 millions d'années", écrivent les auteurs.
Heureusement, les chercheurs à l’origine de ces résultats disposent d’un puissant simulateur de superordinateur avec lequel comparer les observations. Cela s'appelle Illustris TNG. Il s'agit d'une simulation magnétohydrodynamique cosmologique massive basée sur un modèle physique complet de l'univers. Illustris TNG a réalisé trois essais, appelés TNG50, TNG 100 et TNG 300. Les chercheurs ont comparé leurs résultats avec TNG 50.
Trouver ces anciens amas d’étoiles est intrigant, mais nous ne pouvons pas supposer qu’ils survivront intacts. Des forces de marée et d'évaporation sont à l'œuvre. Les auteurs ont examiné la stabilité des amas d'étoiles individuels et leur évolution au fil du temps.
"La plupart de ces amas d'étoiles devraient survivre jusqu'à l'univers actuel et s'étendre puis se déchirer pour former le disque stellaire et le halo de la galaxie", expliquent les auteurs. "La seule façon pour eux de survivre est d'être expulsés sur de grandes distances, loin du champ de marée dense de la galaxie." Ceux qui sont expulsés peuvent persister sous forme d'amas globulaires.
L'un des principaux objectifs scientifiques du JWST est d'étudier comment les galaxies se sont formées et ont évolué au début de l'univers. En en trouvant un dans lequel des amas se forment encore, le télescope spatial atteint son objectif.
"Le Firefly Sparkle représente l'une des premières observations spectrophotométriques du JWST d'une galaxie extrêmement cristalline s'assemblant à des redshifts élevés, avec des amas qui sont en train de se former au lieu d'être observés à des époques ultérieures", concluent les auteurs.
Plus d'informations : Lamiya Mowla et al, The Firefly Sparkle :Les premières étapes de l'assemblage d'une galaxie de type Voie lactée dans un ancien univers de 600 Myr, arXiv (2024). DOI :10.48550/arxiv.2402.08696
Fourni par Universe Today
