31/08/22 La galaxie en rotation la plus lointaine jamais observée

Des chercheurs viennent de découvrir la galaxie en rotation la plus lointaine jamais observée. Elle a traversé plus de 13,26 milliards d’années-lumière avant d’arriver à nous. Elle a été nommée MACS1149-JD1, raccourci en JD1. Sa particularité !est sa vitesse de rotation : JD1 tourne sur elle-même bien plus lentement que les galaxies en rotation provenant d’une époque moins ancienne, y compris la Voie lactéei. Il est probable que JD1 soit à un stade initial de développement d’un mouvement de rotation », selon Akio Inoue, coauteur d’une étude publiée dans la revue The Astrophysical Journal et professeur à l’Université Waseda (voir ci-dessous référence et abstract).

La théorie la plus acceptée concernant les causes de la formation des toutes premières galaxies suggère qu’elles sont apparues à partir des fluctuations primordiales de densité, qui sont à l’origine des structures de l’Univers. Ces fluctuations ont donné lieu à des zones denses, constituées à la fois de matière noire (matière invisible pour les instruments actuels) et de gaz. Petit à petit, le gaz s’est condensé, et les amas de matière se sont agrandis: naissent alors les toutes premières galaxies durant la réionisation.

L’ionisation est l’action qui consiste à ajouter ou enlever des charges à un atome ou une molécule électriquement neutre, qui devient ainsi un ion (chargé positivement ou négativement). Elle peut être due à des causes physiques telles que la présence de radiations. La  réionisation représente l’époque, juste après les âges sombres, où un grand nombre d’atomes existant dans l’Univers ont été ionisés par le rayonnement intense de la probable première génération d’étoiles  à avoir illuminé l’Univers, les étoiles de population III.

Ces étoiles, non observées aujourd’hui, sont considérées comme ayant été très massives, et de ce fait, eurent une durée de vie relativement courte. Leur masse importante leur a permis de rayonner à une température suffisamment élevée pour ioniser le milieu interstellaire environnant.

La formation stellaire n’entre en jeu qu’après la création de ces galaxies primordiales. C’est lorsqu’un nuage de gaz contenu dans la galaxie, appelé nébuleuse, s’effondre sur lui-même par gravitation qu’une étoile se forme. Dans une galaxie, ce processus entre en jeu de nombreuses fois, d’abord au niveau du centre de la galaxie, là où la majorité des poussières et du gaz se trouve, puis petit à petit vers la périphérie lorsque cette formation stellaire s’excentre.

La mise en rotation se développe dès les premiers instants des galaxies, lorsqu’elles ne sont encore que des halos de matière. Mais elle s’accélère ensuite, poussée par la formation d’étoiles qui accentuent les effets gravitationnels subis de part et d’autre de la galaxie.

Ainsi, pour déterminer le stade d’évolution d’une galaxie, les astronomes utilisent les propriétés des étoiles et des gaz qui la composent, comme leur mouvement ou leur âge. Pour ces observations, ils font appel à l’effet dit de lentille gravitationnelle , soit  lorsqu’un objet particulièrement massif déforme la lumière des objets qui se situent derrière lui par rapport à l’observateur. Cet effet permet d’agrandir certains objets trop peu lumineux pour être observés directement, en amplifiant la lumière qu’ils émettent. Ils apparaissent cependant déformés, ce qui oblige les chercheurs à les reconstruire à partir des données collectées.

JD1 , la galaxie évoquée ici a été découverte par le télescope Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), situé au Chili.. Elle a fait l’objet de diverses campagnes d’observation effectuées entre octobre 2018 et décembre 2018, pour un total de presque 10 heures d’observation. Pour connaître son âge, les chercheurs ont mesuré grâce à Alma son décalage vers le rouge, aussi appelé « redshift ». Il correspond au décalage du spectre lumineux vers de plus grandes longueurs d’onde lorsqu’un objet s’éloigne de l’observateur. C’est l’effet Doppler

Or, à cause de l’expansion de l’Univers, plus une galaxie est ancienne, donc lointaine, plus elle s’éloigne vite de nous. Avec un décalage spectral particulièrement élevé (coté z = 9,1), les chercheurs lui ont attribué une population stellaire âgée de quelques centaines de millions d’années, suggérant alors une époque de formation plus ancienne, d’environ z = 15. 

« Au-delà de la découverte de galaxies à décalage vers le rouge élevé, à savoir très éloignées, l’étude de leur mouvement interne du gaz et des étoiles fournit une motivation pour comprendre le processus de formation des galaxies dans l’Univers à un stade le plus ancien possible », explique le professeur Richard S. Ellis, coauteur de l’étude et chercheur à l’University College de Londres. 

Avec un diamètre de 3.000 années-lumière, contre 100.000 pour la Voie lactée, JD1 se révèle, comme l’explique l’étude, dominée par la rotation, et non par la dispersion. En ce cas, la dispersion des vitesses est bien inférieure à la vitesse de rotation des étoiles qui composent la galaxie.

Cette propriété a permis aux chercheurs de modéliser la dynamique de JD1, et d’en déduire d’autres de ses caractéristiques. Notamment, celles des étoiles qui la composent. Elle contient de nombreuses étoiles matures, âgées d’environ 300 millions d’années, donc apparues il y a plus de 13,5 milliards d’années. « Cela montre que la population stellaire de JD1 s’est formée à une époque encore plus ancienne de l’âge cosmique.

Référence

Possible Systematic Rotation in the Mature Stellar Population of a z = 9.1 Galaxy
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac7447

Published 2022 July 1 • © 2022. The Author(s). Published by the American Astronomical Society.

Abstract

We present new observations with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array for a gravitationally lensed galaxy at z = 9.1, MACS1149-JD1. [O iii] 88 μm emission is detected at 10σ with a spatial resolution of ∼0.3 kpc in the source plane, enabling the most distant morphokinematic study of a galaxy. The [O iii] emission is distributed smoothly without any resolved clumps and shows a clear velocity gradient with ΔVobs/2σtot = 0.84 ± 0.23, where ΔVobs is the observed maximum velocity difference and σtot is the velocity dispersion measured in the spatially integrated line profile, suggesting a rotating system. Assuming a geometrically thin self-gravitating rotation disk model, we obtain ${V}_{\mathrm{rot}}/{\sigma }_{V}={0.67}_{-0.26}^{+0.73}$, where Vrot and σV are the rotation velocity and velocity dispersion, respectively, still consistent with rotation. The resulting disk mass of ${0.65}_{-0.40}^{+1.37}\times {10}^{9}$ M is consistent with being associated with the stellar mass identified with a 300 Myr old stellar population independently indicated by a Balmer break in the spectral energy distribution. We conclude that the most of the dynamical mass is associated with the previously identified mature stellar population that formed at z ∼ 15.

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