29 Avril 2014

Herschel découvre des galaxies évoluées dans l’Univers jeune

De nouveaux résultats d’Herschel nous donnent un remarquable aperçu de la dynamique interne de deux jeunes galaxies.

Étonnamment, quelques milliards d’années après le Big Bang, certaines galaxies montrent une rotation non perturbée, apparemment à l’équilibre après avoir rempli leur réservoir de gaz. Une équipe internationale, comprenant des chercheurs de l’Observatoire de Paris, publie la détection de la raie du carbone ionisé, avec un profil de forme typique d’une rotation calme, dans une jeune galaxie dont le signal est amplifié par un amas de galaxies sur la même ligne de visée.

La jeune galaxie SDSS090122.37+181432.3. Elle est déformée par une lentille gravitationnelle. Crédit:NASA/STScI ; S. Allam et coll ; et la Master Lens Database (masterlens.org), L. A. Moustakas, K. Stewart, et al (2014)

Quand les galaxies se forment, elles assemblent leur masse par attraction gravitationnelle de vastes nuages de gaz. A leur entrée dans la galaxie, les nuages tombent dans toutes les directions, et ce désordre cause des turbulences dans la galaxie hôte. Les collisions entre nuages de gaz et les ondes de choc peuvent conduire à la formation d’étoiles.

Pour enquêter sur la physique interne de ces galaxies en formation, l’équipe a observé deux jeunes galaxies, appelées SDSS0901 et le Clone. La lumière de ces deux galaxies a mis 10 milliards d’années pour nous atteindre à travers l’espace. Ainsi nous les voyons lorsque l’Univers n’avait que le quart de son âge, et les galaxies étaient relativement jeunes. Les deux galaxies sélectionnées sont des galaxies de taille moyenne pour cette période de l’histoire cosmique. Plus précisément, elles ont environ 10-20 pour cent de la taille de notre Voie Lactée, qui est considérée comme une galaxie moyenne dans l’Univers actuel.

L’étude des galaxies aussi lointaines est généralement très difficile parce que leur luminosité apparente est beaucoup trop faible, mais dans ce cas, les chercheurs sont aidés par l’amplification du signal par une lentille gravitationnelle (voir ci contre). Les deux galaxies se trouvent derrière deux groupes de galaxies, dont la gravité déforme l’espace sur la ligne de visée. Le but de l’étude est de comparer la dynamique du gaz dans ces premières galaxies à celle du gaz que nous voyons localement.

Les chercheurs ont utilisé l’instrument HIFI sur Herschel pour étudier la lumière infrarouge du carbone ionisé, qui est émise à la longueur d’onde de 158 micromètres. Cette raie est produite dans les nuages qui entourent les régions de formation d’étoiles. HIFI a montré que la raie a un profil en double pic (voir ci-contre), ce qui a permis d’ajuster le mouvement du gaz par un modèle de rotation.

Tout d’abord, l’équipe a essayé un modèle de rotation globale de la galaxie avec une turbulence importante des nuages de gaz. À leur grande surprise, les chercheurs ont découvert que la galaxie S0901 est quasiment à l’équilibre, en rotation ordonnée. La galaxie a très peu de turbulence, beaucoup plus proche que prévu des galaxies majestueuses d’aujourd’hui. Ceci est inattendu, car les galaxies jeunes sont connues pour former des étoiles à un rythme beaucoup plus élevé qu’aujourd’hui. Cette formation d’étoiles libère de l’énergie et produit de la turbulence dans le milieu interstellaire. Ceci suggère d’abord que ces galaxies ont terminé leur accumulation de gaz, au moins pour l’instant. Mais il semble aussi que la turbulence n’est pas réellement nécessaire pour déclencher une formation stellaire active.

Ces deux galaxies pourraient être particulières, et des conclusions solides doivent attendre l’étude d’un échantillon beaucoup plus grand. Mais de grands échantillons ne seront pas étudiés par Herschel. Comme prévu, l’hélium liquide de refroidissement nécessaire pour maintenir HIFI et les autres instruments d’Herschel s’est épuisé fin Avril 2013. Les chercheurs espèrent poursuivre le travail commencé avec Herschel en utilisant ALMA (Atacama Large Millimeter Array), un réseau de 66 antennes paraboliques au Chili.

Références de l'article

J. Rhoads, S. Malhotra, C. Carilli, F. Combes, K Finkelstein, S. Finkelstein, B. Frye, M. Gerin, P. Guillard, N. Nesvadba, J. Rigby, M. Spaans, M. A. Strauss, (2014), Herschel Extreme Lensing Line Observations: Dynamics of two strongly lensed star forming galaxies near redshift z = 2,The Astrophysical Journal, April 20, 2014, V785.

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