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Astrophysique

L'amas de galaxies SDSS J1531+3414 sous l'effet d'une lentille gravitationnelle photographié en lumière RGB et IR par le HST en 2013.

Les découvertes récentes (I)

Avec l'avènement de l'astronomie spatiale, les astrophysiciens ont eu l'opportunité d'étudier l'univers à travers tout le spectre des rayonnements, des ondes radios aux rayons X et gamma en passant par les spectres UV, visible et l'infrarouge notamment.

Si certaines observations ont renforcé les théories, d'autres ont forcé les astronomes à revoir leurs théories et parfois les modèles existants. Nous verrons que des validations et des remises en questions similaires se sont produites en cosmologie.

Concernant les galaxies et les autres objets du ciel profond, devant l'accumulation des découvertes parfois en désaccord avec les hypothèses de travail ou contredisant d'autres théories, les astrophysiciens ont bien dû constater que l'univers était loin d'être le lieu sombre et figé pour l'éternité qu'on imaginait encore il y a un siècle.

Depuis quelques décennies, les astrophysiciens ont découvert que non seulement l'univers est peuplé d'une grande variété d'astres plus ou moins calmes ou turbulents dont on commence seulement à comprendre l'évolution mais également des substances a priori inconnues comme la matière sombre.

Ce sont quelques unes de ces découvertes récentes faites en astrophysique que nous allons décrire. Certaines d'entre elles feront probablement l'objet de nouveaux articles dès que le sujet se sera étoffé, d'autres ayant déjà été incorporées dans différents articles. En complément, un article a été consacré aux découvertes de Gaia concernant la Voie Lactée.

Précisons que toutes les distances mentionnées dans cet article déduites des décalages Doppler (z) sont calculées sur base d'un modèle d'univers plat comme le confirma les résultats du programme H0LiCOW et en tenant compte d'une constante de Hubble Ho=69.6 km/s/Mpc. Par rapport à d'autres modèles, si la différence de distance est peu sensible pour les galaxies proches, elle dépasse 20% à partir de z~2.

GNz7q, le chaînon manquant entre les galaxies starbursts et les quasars

Dans un article publié dans la revue "Nature" en 2022, une équipe internationale d'astronomes dirigée par Seiji Fujimoto de l'Institut Niels Bohr de l'Université de Copenhague annonça la découverte dans les données d'archives du sondage GOODS-North (Great Observatories Origins Deep Survey-North) du Télescope Saptial Hubble, d'un mystérieux objet rouge à z=7.1899 ±0.0005 soit une distance d'environ 13 milliards d'années-lumière. Selon les chercheurs, il pourrait s'agir du chaînon manquant entre les jeunes galaxies "starbursts" (à sursauts d'étoiles) et les premiers trous noirs supermassifs.

L'objet, dénommé GNz7, évolue à l'époque de la Réonisation, lorsque l'univers avait seulement 750 millions d'années et à peine 5% de sa taille actuelle. Grâce au HST, les atsronomes ont détecté une source compacte en lumière ultraviolette et infrarouge mais par contre très faible en rayons X. Si la lumière UV provient des étoiles, l'émission IR ne peut correspondre qu'au rayonnement émis par de la matière tombant sur un trou noir. La meilleure explication est que cette galaxie abrite un trou noir en croissance enveloppé de poussière. Dans quelques dizaines ou centaines de millions d'années, le trou noir émergera de son cocon poussiéreux, transformant cette galaxie en un brillant quasar.

Si des théories et des simulations prédisent que des trous noirs en croissance peuvent se former dans des galaxies starbursts, c'est la première fois que les astronomes identifient un tel objet.

Selon Fujimoto,"Notre analyse suggère que GNz7q est le premier exemple d'un trou noir à croissance rapide dans le noyau poussiéreux d'une galaxie starburst à une époque proche du premier trou noir supermassif connu dans l'univers. Les propriétés de l'objet à travers le spectre électromagnétique sont en excellent accord avec les prédictions des simulations théoriques".

Cette petite tache rouge fait partie d'une classe d'objets extrêment rares dans l'univers qui établit le lien entre les galaxies starbursts et les quasars. Il s'agit de la galaxie starburst GNz7q située à z=7.19 qui abrite déjà un trou noir massif en croissance mais en grande partie obscurci par la poussière. Cette photo fut prise par le Télescope Spatial Hubble dans le cadre du sondage GOODS-North. Document NASA/ESA/S.Fujimoto et al. (2022).

Mais évoluant dans un univers aussi jeune, comment des trous noirs massifs peuvent-ils se former si rapidement ? Bien que d'autres interprétations ne peuvent pas être complètement exclues, les propriétés de GNz7q sont en accord avec les prédictions théoriques et les simulations qui proposent le scénario suivant.

La galaxie hôte de GNz7q forme des étoiles au taux phénoménal de 1600 M par an. Les trous noirs supermassifs se forment au coeur de jeunes galaxies starbursts dont le noyau est enveloppé de poussière. Ces galaxies forment des étoiles à un taux très élevé avant que le trou noir central n'expulse le gaz et la poussière environnants, transformant ces galaxies en quasars extrêmement lumineux. Ces objets sont cependant très rares dans l'univers primitif.

En général, le disque d'accrétion d'un trou noir massif doit être très brillant à la fois en UV et en rayons X. Or, dans le cas de GNz7q, le rayonnement X n'a pas été détecté dans les données existantes des sondages X du ciel profond. Ces résultats suggèrent que le disque d'accrétion interne, d'où proviennent les rayons X, est toujours obscurci, tandis que la partie externe du disque d'accrétion, d'où provient la lumière UV, se dégage. Selon cette interprétation, GNz7q est un trou noir à croissance rapide encore obscurci par le noyau poussiéreux de sa galaxie hôte starburst.

Les chercheurs estiment que GNz7q pourrait être un chaînon manquant entre ces deux classes d'objets. En effet, GNz7q présente exactement les caractéristiques de la galaxie starburst poussiéreuse et du quasar, la lumière du quasar étant rougie par la poussière. De plus, GNz7q manque de diverses caractéristiques qui sont généralement observées dans les quasars très lumineux (leur brillance correspondant à l'émission du disque d'accrétion du trou noir supermassif), ce qui s'explique très probablement par le fait que le trou noir central de GN7q est encore jeune et dans une phase peu massive. Ces propriétés correspondent parfaitement au jeune quasar en phase de transition prédit par les simulations, mais qui n'avait jamais été identifié dans l'univers à un décalage Doppler aussi élevé, même dans les quasars très lumineux situés jusqu'à z=7.6. La chance d'en observer un est donc exceptionnelle.

Selon Fujimoto, "GNz7q fournit une connexion directe entre ces deux populations rares et offre une nouvelle voie pour comprendre la croissance rapide des trous noirs supermassifs aux premiers jours de l'univers. Notre découverte fournit un exemple de précurseurs des trous noirs supermassifs que nous observons à des époques ultérieures".

Selon Gabriel Brammer de l'Institut Niels Bohr et coauteur de cette étude, "GNz7q est une découverte unique qui a été trouvée juste au centre d'un champ céleste célèbre et bien étudié - cela montre que de grandes découvertes peuvent souvent être cachées juste devant vous. Il est peu probable que la découverte de GNz7q dans la zone de recherche relativement petite de GOODS-North soit simplement une "chance stupide", mais plutôt que la prévalence de ces sources puisse en fait être nettement plus élevée qu'on ne le pensait auparavant".

A présent que les chercheurs connaissent les caractéristiques de ce type de galaxies, ils vont à présent rechercher systématiquement des objets similaires à l'aide de sondages dédiés à haute résolution et tirer parti des instruments spectroscopiques du télescope spatial James Webb pour étudier en détails des objets tels que GNz7q.

Selon Fujimoto, "Caractériser pleinement ces objets et sonder leur évolution et leur physique sous-jacente de manière beaucoup plus détaillée deviendra possible avec le télescope spatial James Webb. Une fois opérationnel, le JWST aura le pouvoir de déterminer de manière décisive la fréquence réelle de ces trous noirs à croissance rapide".

ID2299 : des astronomes témoins de la mort d'une galaxie

Pour la première fois, des astronomes sont témoins du début de la mort d'une galaxie lointaine et ont compris de quelle manière cela commence; c'est le cas de la galaxie starburst ID2299. Cette découverte majeure fit l'objet d'un article publié dans la revue "Nature Astronomy" en 2021 par une équipe européenne d'astronomes dirigée par Annagrazia Puglisi du Centre d'Astronomie Extragalactique de l'Université de Durham, au Royaume-Uni, et du CEA de Saclay.

Illustration artistique de la galaxie starburst ID2299 qui résulte d'une collision entre deux galaxies, avec sa queue de marée composée d'étoiles et de gaz résultant de la fusion. Document ESO/M.Kornmesser.

Pour rappel, au cours des premiers milliards d'années de sa vie une galaxie spirale contenant jusqu'à 100 milliards d'étoiles produit jusqu'à 1000 M par an. Cette flambée de formation d'étoiles ou "starburst" peut durer plusieurs centaines de millions d'années. Ensuite, faute de combustible, ce taux diminue pour atteindre dix milliards d'années plus tard une production d'environ 3 M par an comme c'est le cas de la Voie Lactée de nos jours (voir page 2).

Pour rappel, une galaxie "meurt" quand elle ne produit plus d'étoiles à partir du gaz froid environnant. Mais pendant ce temps, les centaines ou milliers d'étoiles qu'elle forma chaque année continuent leur cycle de vie et beaucoup continueront à briller pendant une dizaine de milliards d'années.

Si beaucoup de galaxies peuvent donc survivre assez longtemps même en l'absence de gaz, quelques galaxies starbursts subissent des perturbations tellement violentes qu'elles meurent prématurément. ID299 compte parmi celles-ci.

La galaxie starburst ID2299 se situe à z=1.395 soit 9.1 milliards d'années-lumière et présente une masse stellaire d'environ 94 milliards de M. Elle présente un taux de formation d'étoiles (SFR) d'environ 550 M par an, soit 5 plus élevé que le SFR moyen des galaxies starbursts de masse comparable situées à cette époque cosmique. Cette galaxie héberge déjà un trou noir supermassif actif.

L'analyse des quatre transitions du CO et du [C I] ainsi que la phase ionisée a permis aux chercheurs de calculer la masse de gaz expulsée par la galaxie ID2299 : elle a déjà éjecté environ 46% de sa masse moléculaire de gaz froid à un taux d'au moins 10000 M par an ! A ce rythme la galaxie aura perdu tout son gaz dans quelques dizaines de millions d'années.

Selon Puglisi, "C'est la première fois que nous observons une galaxie massive à formation d'étoiles typique dans l'univers lointain sur le point de "mourir" à cause d’une éjection massive de gaz froid".

Selon les chercheurs, cette perte spectaculaire de gaz est le résultat d'une collision entre deux galaxies qui ont finalement fusionné (merge) pour former ID2299. L'indice en faveur de ce scénario est la présence d'une queue de marée associée au gaz, une longue traînée d'étoiles et de gaz encore brillante résultant de la fusion des deux anciennes galaxies.

A gauche, image UV de la galaxie starburst ID2299 située à z~1.4 ou 9.1 milliards d'années-lumière photographiée par le Télescope Spatial Hubble. On distingue un noyau brillant entouré de volutes de gaz. A droite, image de la galaxie starburst ID2290 en optique (HST) et les cartes obtenues par ALMA dans différents états de la molécule de gaz froid du CO et du [C I]. On distingue clairement l'éjection de gaz. Documents NASA/ESA et A.Puglisi et al. (2021).

La plupart des astronomes estiment que ces éjections de matière qui se manifestent par d'immenses volutes de gaz et des vents stellaires violents sont provoquées par la formation des étoiles et l'activité éventuelle d'un trou noir supermassif situé au centre de la galaxie (cf. le modèle de la formation et de l'évolution galactique et la co-évolution des galaxies et des trous noirs supermassifs). Mais la découverte de ID2299 suggère que les fusions de galaxies peuvent également éjecter dans l'espace le combustible nécessaire à la formation des étoiles.

Selon les chercheurs, les résultats des simulations montrent "qu'il ne s'agit pas d'un vent de rétroaction, mais plutôt du matériel d'une fusion qui a probablement été éjectée par la marée. Cette découverte remet en cause certaines études dans lesquelles le rôle des vents entraînés par rétroaction pourrait être surestimé". Ainsi, certaines équipes qui ont précédemment identifié des vents puissants dans des galaxies lointaines pourraient en fait avoir observé des queues de marée éjectant du gaz de ces galaxies. Selon Emanuele Daddi du CEA de Saclay et coauteur de cette étude, " Cela pourrait nous amener à revoir notre compréhension de la façon dont les galaxies meurent".

A gauche, comparaison entre les taux d'évènements perturbateurs et la densité des galaxies nouvellement éteintes. Au centre, comparaison entre la galaxie ID2299 et les vents moléculaires décrits dans la littérature. (Quenching = extinction, SFR = Star Formation Rate ou taux de formation stellaire). A droite, simulation de la distribution du gaz lors d'une collision-fusion entre deux galaxies. Notez la formation d'une queue de marée qui rappelle ce qu'on observe dans le couple de galaxies NGC 4038-39 en interaction surnommé "les Antennes". Documents A.Puglisi et al. (2021) et J.Frensch et al. (2017) adaptés par l'auteur.

Notons que dans une autre étude publiée en 2021, une équipe internationale de chercheurs découvrit grâce à l'effet amplifiant d'une lentille gravitionnelle, trois galaxies starbursts à z~3 soit 11.5 milliards d'années-lumière présentant un taux de formation d'étoiles > 850 M par an et des échelles de temps d'épuisement plutôt courtes < 100 millions d'années. L'une de ces trois galaxies lointaines nommée SPT2357-51 est probablement le résultat d'une fusion majeure.

A l'avenir, les observations effectuées avec le JWST de 6.5 m et le futur télescope ELT de 39 m de diamètre de l'ESO pourraient permettre aux chercheurs d'explorer les connexions entre les étoiles et le gaz dans ID2299, apportant un nouvel éclairage sur l'évolution des galaxies.

Earendel, l'étoile la plus lointaine découverte par Hubble

Grâce au Télescope Spatial Hubble, l'astrophysicien Brian Welch de l'Université Johns Hopkins (JHU) et ses collègues ont découvert une étoile à z=6.2 ±0.1, c'est-à-dire à ~12.9 milliards d'années-lumière, évoluant dans un univers âgé de seulement 900 millions d'années. Cette étoile est la plus lointaine découverte à ce jour et fut nommée "Earendel"[1].

C'est une découverte majeure sachant que le record précédent remontait à 2018 avec une étoile située à z=1.5 qui évoluait dans un univers âgé de 4 milliards d'années (cf. P.L. Kelly et al., 2018). Cette nouvelle découverte fit l'objet d'un article publié dans la revue "Nature" en 2022 (en PDF sur STScI) que la plupart des médias ont immédiatement repris.

Welch et ses collègues avaient déjà identifié la galaxie hôte de l'étoile parmi les galaxies les plus proches de l'amas situé à l'avant-plan catalogué WHL0137-08 (à z=0.566 soit ~5.5 milliards d'années-lumière) lors de sessions d'observations réalisées en 2016 dans le cadre du sondage RELICS (Reionization Lensing Cluster Survey) du STScI. L'équipe réalisa un suivi de cette étoile en 2019 grâce à de nouvelles images prises par le HST.

L'étoile fut détectée grâce à l'effet d'une lentille gravitationnelle engendré par l'amas de galaxies qui a déformé la lumière d'une galaxie lointaine sous forme d'un arc long et fin que l'équipe surnomma "Sunrise Arc" (l'Arc du lever du Soleil). Mais l'image de toute la galaxie n'a pas été amplifiée ni déformée de la même manière. En effet, en fonction de la densité de matière située entre cette étoile et la Terre, la lumière de la galaxie a localement été plus amplifiée qu'à d'autres endroits, générant des points lumineux plus brillants le long de ce qu'on appelle la courbe critique : à mesure que les objets approchent de la courbe critique, le facteur d'amplification ou grossissement augmente. Pour les très petits objets, tels que les étoiles, ils peuvent parfois s'aligner si précisément sur la courbe critique que leur lumière augmente considérablement, jusqu'à plusieurs milliers de fois. Malgré la déformation, des algorithmes permettent de redresser l'image.

A gauche, l'étoile surnommée Earendel (indiquée par la flèche sur l'image de droite) est située le long d'une lentille gravitationnelle qui amplifie sa lumière comme une loupe, lui permettant d'émerger de sa galaxie hôte qui apparaît comme une tache rouge sur ces images. La lentille gravitationnelle est créée par l'amas de galaxies WHL0137-08 situé à l'avant-plan. Les deux points rouges de chaque côté d'Earendel sont en fait un amas d'étoiles dont la lumière a été divisée en deux images qui se reflètent de chaque côté de l'arc. A droite, un agrandissement de l'image. Documents NASA/ESA, B.Welch (JHU), D.Coe (STScI), A.Pagan (STScI).

Welch et ses collègues ont comparé les images prises par Hubble avec quatre modèles informatiques de lentilles gravitationnelles. Ils ont associé les modèles à d'autres amas d'étoiles de la galaxie "Sunrise Arc", dont deux apparaissent de chaque côté d'Earendel, leur lumière se divisant en plusieurs images. L'étoile elle-même n'est pas divisée, ce qui suggère qu'elle est plus proche de la courbe critique que les amas stellaires. Bien que les modèles ne s'accordent pas sur le facteur exact d'amplification, la valeur minimale est d'au moins 1000 fois et peut atteindre 40000 fois !

Les modèles ont également permis de calculer la taille de l'étoile : moins de ~2 années-lumière de diamètre et peut-être bien plus petite. La taille exclut la possibilité que Hubble ait détecté un amas d'étoiles.

Selon les chercheurs, "Le grossissement et la luminosité observée (magnitude monochromatique AB = 27.2) sont restés à peu près constants sur 3.5 ans d'imagerie et de suivi. La magnitude UV absolue réduite de -10 ±2, est cohérente avec une étoile de masse supérieure à 50 M". L'étoile est composée essentiellement d'hydrogène et d'hélium. Compte tenu de l'âge de l'univers dans lequel elle évolue, les chercheurs estiment qu'Earendel n'est probablement pas l'une des toutes premières étoiles, de Population III, mais en raison de sa grande masse c'est néanmoins une des premières qui forma les nouveaux éléments lourds.

L'existence d'étoiles massives à cette époque de l'univers est une confirmation importante qui valide les hypothèses sur la formation des plus anciennes étoiles de la Voie Lactée. Selon Anna Frebel aujourd'hui au MIT, qui n'a pas participé à cette étude mais qui étudie les très anciennes étoiles proches pour trouver des indices sur l'évolution stellaire dans l'univers primordial, cette découverte est une trouvaille fantastique : "Les premières étoiles massives doivent avoir produit les premiers éléments et entraîné l'évolution chimique, donc avoir des observations à portée de main qui soutiennent cette notion est merveilleux".

Après le lancement du télescope spatial James Webb fin 2021, les chercheurs vont en profiter pour tenter de découvrir la véritable nature de cette étoile et comment elle s'intègre dans l'évolution de l'univers. Les images et les spectres réalisés par le JWST amélioreront les estimations de sa masse, de sa température et de son type spectral. On en reparlera probablement en 2023 ou 2024.

ALMA a détecté de l'eau et du carbone dans une galaxie lointaine

Pour la première fois de l'eau et du carbone ont été détectés dans une galaxie lointaine grâce au réseau radiointerférométrique ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) installé dans le désert d'Atacama au Chili. Cette découverte fit l'objet d'un article publié dans "The Astrophysical Journal" en 2021 (en PDF sur arXiv) par l'équipe de Sreevani Jarugula de l'Université de l'Illinois.

Image composite de la galaxie SP0311-58 située à z=6.9. Elle combine les données d'ALMA (rouge) révélant la poussière et du HST (bleu et vert) révélant le gaz et les étoiles. La partie droite de l'image de la galaxie est déformée par l'effet d'une lentille gravitationnelle. Document NRAO, NASA/ESA/ESO/NAOJ.

SPT0311-58 est une galaxie apparaissant sous l'aspect de deux images suite à un effet de lentille gravitationnelle. Elle fut découverte au cours d'un sondage réalisé grâce au South Pole Telescope (SPT) de 10 m de diamètre par les équipes de Vieira et d'Everett (cf. J.D. Vieira et al., 2013; W.B. Everett et al., 2020).

SPT0311-58 se situe à z=6.9 soit environ 12.88 milliards d'années-lumière du Soleil et s'étend sur ~25". Elle évolue à l'époque de la Réonisation lorsque l'Univers n'avait que 780 millions d'années soit environ 5% de son âge actuel, et que les premières étoiles et galaxies étaient en train de se former.

En combinant les composantes est et ouest de cette galaxie, sa masse totale de gaz est estimée à plus de 1021 M (contre ~1016 M pour la Voie Lactée pour les masses de gaz HII et H2), ce qui en fait une galaxie massive.

La détection des molécules d'eau comprenant donc de l'oxygène, et de carbone, est très instructive car il s'agit d'éléments de première génération, et dans les formes moléculaires de l'eau et du monoxyde de carbone, ils sont essentiels à la vie telle que nous la connaissons.

L'eau en particulier, H2O, est la troisième molécule la plus abondante dans l'univers après l'hydrogène moléculaire (H2) et le monoxyde de carbone (CO). Des études antérieures sur les galaxies évoluant dans l'univers local et primitif ont corrélé l'émission de l'eau avec celle de l'émission infrarouge lointaine de la poussière (CO). Cette poussière absorbant le rayonnement ultraviolet des étoiles de cette galaxie, elle se réchauffe et réémet ce rayonnement sous forme de photons infrarouges lointains. Ce rayonnement excite à son tour les molécules d'eau, provoquant son émission que le réseau ALMA a pu détecter. Dans ce cas-ci le travail des chercheurs fut facilité car cette galaxie est massive et produit énormément d'étoiles. Cette corrélation entre l'émission de la molécule d'eau et celle de la poussière, le monoxyde de carbone, pourrait être exploitée pour utiliser l'eau comme traceur de la formation des étoiles, qui pourrait ensuite être appliquée aux galaxies à l'échelle cosmologique.

Selon Jarugula, "Cette galaxie est la plus massive actuellement connue à fort décalage vers le rouge, à l'époque où l'univers était encore très jeune. Elle contient plus de gaz et de poussière que les autres galaxies de l'univers primitif, ce qui nous donne de nombreuses opportunités potentielles d'observer des molécules abondantes et de mieux comprendre comment ces éléments créateurs de vie ont eu un impact sur le développement de l'univers primitif".

La détection de ces deux molécules en abondance prouve que de l'oxygène et du carbone s'étaient déjà formés à cette époque précoce. On en déduit que des étoiles massives ont explosé en supernovae pour créer ces éléments qui ont ensuite formé des molécules qui se sont organisées en nuages moléculaires qui furent détectés par ALMA.

A gauche, les images dans les raies moléculaires de l'eau (H2O) et du continuum de poussière du monoxyde de carbone (CO) détectées par ALMA dans la paire de galaxies massives primitives SPT0311-58 située à z=6.9. La double image de la galaxie couvre ~25". A gauche, une image composite combinant les images dans les raies H2O et du CO. La colonne de droite montre le continuum de poussière en rouge (en haut), la raie moléculaire de l'eau en bleu (2e à partir du haut), les transitions des raies moléculaires du monoxyde de carbone, CO(6-5) en violet (au milieu), CO(7-6) en magenta (deuxième à partir du bas) et CO(10-9) ien rose et bleu foncé (en bas). Les données d'ALMA révèlent une abondance de H2O et de CO dans la plus grande des deux images de la galaxie, indiquant que la composition moléculaire de l'univers primitif s'est renforcée peu de temps après la formation initiale des éléments. A droite, une illustration artistique de cette galaxie. Documents ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/S.Dagnello (NRAO).

Cette découverte nous informe sur la façon dont les premières galaxies se sont formées et à quel rythme. Selon Jarugula, "Les premières galaxies forment des étoiles à un taux des milliers de fois supérieur à celui de la Voie Lactée. L'étude de la teneur en gaz et en poussière de ces premières galaxies nous informe sur leurs propriétés, telles que le nombre d'étoiles en cours de formation, la vitesse à laquelle le gaz est converti en étoiles, la manière dont les galaxies interagissent entre elles et avec le milieu interstellaire, etc.".

Mais il reste encore beaucoup à apprendre sur SPT0311-58 et les galaxies évoluant dans l'univers primitif et cette découverte apporte une nouvelle question. Selon Jarugula, "Cette étude fournit non seulement des réponses sur l'endroit et la distance où l'eau peut exister dans l'univers, mais pose également une grande question : comment tant de gaz et de poussière se sont-ils assemblés pour former des étoiles et des galaxies si tôt dans l'univers ? La réponse nécessite une étude plus approfondie de ces galaxies formatrices d'étoiles et similaires pour mieux comprendre la formation structurelle et l'évolution de l'univers primitif".

Le rayonnement UV serait à l'origine des supervents dans certaines galaxies

Les astronomes ont découvert dans certains galaxies stellairement très actives comme les galaxies Starbursts et de Markarian des supervents soufflant jusqu'à 3000 km/s soit 1% de la vitesse de la lumière. C'est par exemple le cas dans NGC 2366, une galaxie naine bleue compacte ou BCD (Blue Compact Dwarf) dans laquelle se trouve la région ionisée Mrk 71 qui renferme deux jeunes amas stellaires encore tout auréolés de gaz comme on le voit sur les photos présentées ci-dessous. NGC 2366 est de magnitude apparente 11.4 et se situe à 10 millions d'années-lumière dans la constellation de la Girafe (Camelopardalis) et fait partie du groupe M81.

Jusqu'à présent les astronomes supposaient que ces vents très rapides et chauds (≥ 107 K) étaient engendrés par les explosions de nombreuses supernovae. Mais une équipe d'astronomes de l'Université du Michigan estime que les supernovae ne sont pas à l'origine de ces supervents.

A gauche, la galaxie NGC 2366 photographiée par l'amateur J.W.Inman dans laquelle se trouve à l'extrémité droite la région ionisée HII Markarian 71 (Mrk 71) qui est agrandie au centre et à droite. La galaxie est de magnitude apparente 11.4 et se situe dans la constellation de la Girafe (Camelopardalis) à 10 millions d'années-lumière. Elle fait partie du groupe M81. La région rouge noyée dans un halo stellaire bleu pâle située au-dessus de la galaxie NGC 2366 est la galaxie naine NGC 2363. Au centre, une photo agrandie de Mrk 71 prise par le Télescope Spatial Hubble. A droite, une image composite de Mrk 71 avec la localisation des deux amas stellaires Knot A et Knot B (égalemernt dénommés Cluster A et Cluster B). La zone ionisée s'étend horizontalement sur plus de 13" ou 710 années-lumière. Documents NASA/ESA/L. Komarova et al. (2021) et M.S.Oey et al. (2017).

Selon les résultats d'une étude publiée dans "The Astrophysical Journal Letters" en 2021 par l'équipe de Lena Komarova de l'Université du Michigan, les auteurs proposent un autre mécanisme. En étudiant les propriétés du vent stellaire et des jeunes étoiles contenues dans les deux amas stellaires Knot A et Knot B de Mrk 71, les chercheurs ont constaté que les amas sont trop jeunes pour former des supernovae. Les chercheurs proposent que c'est le rayonnement ultraviolet des jeunes étoiles qui engendre ce supervent. Cette découverte pourrait aider à compendre comment débuta l'époque de la Réonisation au début de l'univers.

Pour rappel, juste après le Big Bang, l'univers était très dense et opaque au rayonnement, comme un brouillard que la lumière ne pénètre pas. Mais lorsque les premières étoiles se sont formées dans les premières galaxies, elles émettaient surtout dans l'ultraviolet. Cette émission ionisa l'essentiel du gaz contenu dans l'univers. Selon Komarova, "les atomes d'hydrogène neutre, qui constituent 92% du cosmos, formaient un épais "brouillard" opaque au début de l'univers. Mais lorsque la lumière des premières étoiles commença à percer, le rayonnement ultraviolet de ces jeunes étoiles brisa les atomes d'hydrogène. Une fois que l'hydrogène fut ionisé, il devint transparent car il ne pouvait plus capturer de photons UV. L'univers devint transparent, conduisant à "l'Aube cosmique" lorsque les premières étoiles apparurent. C'est ce processus que nous essayons de comprendre : comment peut-on obtenir un rayonnement UV suffisamment énergétique pour ioniser l'univers et pour former les galaxies sans que tout soit absorbé par l'hydrogène ?"

Les auteurs pensent que la réponse réside dans les supervents générés par le rayonnement UV des jeunes étoiles de ces galaxies.

La luminosité du gaz de la région HII Mrk 71 de NGC 2366 dans quatre plages de vitesses, montrant le comportement du supervent. Document L.Komarova et al. (2021).

Comme illustré ci-dessus, en examinant le spectre UV de l'hydrogène ionisé (la forêt Lyman alpha) de la région Mrk 71, Komarova et ses collègues ont pu étudier la structure dynamique du gaz et ont découvert un vent relativement faible (200-500 km/s) qui prit naissance dans l'amas stellaire le plus brillant de Mrk 71, dénommé Knot A. Les auteurs ont constaté que le paramètre d'ionisation dans l'amas Knot A et la densité de surface stellaire sont proches de leurs maxima théoriques et que la pression de radiation domine sur la pression du gaz. Combinés au manque de preuves d'une rétroaction des supernovae, cela implique un environnement dominé par les rayonnements. Selon Komarova, "Nous avons découvert que même si vous aviez des supernovae, il n'y aurait toujours pas assez d'énergie pour accélérer le gaz aux vitesses que nous observons. Nous avons comparé la force de radiation de la lumière stellaire sur le gaz à la force de la gravité, et nous avons constaté que le rayonnement est beaucoup plus fort que la gravité".

Selon les chercheurs : "un supervent noueux et radioactif provenant de Knot A est un modèle viable pour générer les vitesses extrêmes, et en particulier, que le continuum de Lyman et/ou l'opacité Ly-α en seraient responsables. [C'est] une signature distinctive de la rétroaction du rayonnement, et des vents radiatifs en particulier".

Les chercheurs proposent que ce processus d'ionisation dégage des voies de passage pour le rayonnement UV entre les régions d'hydrogène gazeux. Selon Komarova, "Ainsi, ce rayonnement UV peut en fait quitter l'amas où il est né et irradier dans le reste de l'univers pour l'ioniser. Cela ajoute une autre pièce au puzzle de l'ionisation de l'univers et fournit un mécanisme physique spécifique de la manière dont cela s'est produit".

Deuxième partie

Les ORC (Odd Radio Circle), d'étranges ronds dans le ciel

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[1] Les fans de John R.R. Tolkien reconnaîtront sans doute ce nom malgré l'orthographe légèrement différemment qui fait référence à Eärendil, le marin demi-elfe qui transporta un joyau céleste dans le ciel dans son livre "Le Silmarillion". Tolkien trouva l'inspiration pour ses œuvres dans le trio de poèmes du Xe siècle intitulé "Crist", dont une ligne (traduite du vieil anglais) se lit comme suit : "Je vous salue Éarendel, le plus brillant des anges, envoyé sur la Terre du Milieu à l'humanité". La nature d'Éarendel est débattue mais il est communément identifié comme "l'étoile du matin". Welch étant un grand admirateur de Tolkien, "c'était l'une des premières idées de noms qui me sont venues à l'esprit pour désigner une étoile lointaine. Quand j'ai approfondi la question et découvert que le vieux mot anglais Earendel faisait en fait référence à une étoile du matin, j'étais à peu près convaincu par ce nom".


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