Les théories actuelles de la formation des galaxies sont basées sur la fusion hiérarchique d'entités plus petites en structures de plus en plus grandes, à partir de la taille d'un amas globulaire stellaire et se terminant par des amas de galaxies. Selon ce scénario, il est supposé qu'aucune galaxie massive n'existait dans le jeune univers.
Cependant, ce point de vue devra peut-être maintenant être révisé. À l'aide de l'instrument multimode FORS2 sur le très grand télescope de Paranal, une équipe d'astronomes italiens a identifié quatre galaxies éloignées, plusieurs fois plus massives que la galaxie de la Voie lactée, ou aussi massives que les galaxies les plus lourdes de l'univers actuel. Ces galaxies doivent s'être formées alors que l'Univers n'avait que 2 000 millions d'années, soit il y a environ 12 000 millions d'années.
Les objets nouvellement découverts pourraient appartenir à une population de vieilles galaxies massives non détectées jusqu'à présent.
L'existence de tels systèmes montre que l'accumulation de galaxies elliptiques massives était beaucoup plus rapide dans l'Univers primitif que ce que l'on attendait de la théorie actuelle.
Fusion hiérarchique
Les galaxies sont comme des îles de l'Univers, faites d'étoiles ainsi que de nuages de poussière et de gaz. Ils viennent dans différentes tailles et formes. Les astronomes font généralement la distinction entre les galaxies spirales - comme notre propre voie lactée, NGC 1232 ou la célèbre galaxie Andromède - et les galaxies elliptiques, ces dernières contenant principalement des étoiles anciennes et ayant très peu de poussière ou de gaz. Certaines galaxies sont intermédiaires entre les spirales et les elliptiques et sont appelées galaxies lenticulaires ou sphéroïdales.
Les galaxies ne sont pas seulement de forme distincte, elles varient également en taille: certaines peuvent être aussi «légères» qu'un amas globulaire stellaire dans notre Voie Lactée (c'est-à-dire qu'elles contiennent environ l'équivalent de quelques millions de soleils) tandis que d'autres peuvent être plus massives que un million de millions de soleils. Actuellement, plus de la moitié des étoiles de l'Univers sont situées dans des galaxies sphéroïdales massives.
L'une des principales questions ouvertes de l'astrophysique et de la cosmologie modernes est de savoir comment et quand les galaxies se sont formées et ont évolué à partir du gaz primordial qui remplissait l'Univers primitif. Dans la théorie actuelle la plus populaire, les galaxies de l'Univers local sont le résultat d'un processus relativement lent où les petites et les moins massives galaxies fusionnent pour former progressivement des galaxies plus grandes et plus massives. Dans ce scénario, surnommé «fusion hiérarchique», le jeune univers était peuplé de petites galaxies de petite masse, alors que l'univers actuel contient de grandes, anciennes et massives galaxies - les toutes dernières à se former au stade final d'un processus d'assemblage lent.
Si ce scénario était vrai, alors on ne devrait pas être en mesure de trouver des galaxies elliptiques massives dans le jeune univers. Ou, en d'autres termes, en raison de la vitesse finie de la lumière, il ne devrait pas y avoir de galaxies aussi massives très loin de nous. Et en effet, jusqu'à présent, aucune ancienne galaxie elliptique n'était connue au-delà d'une radio-galaxie à redshift 1.55 découverte il y a près de dix ans.
L'enquête K20
Afin de mieux comprendre le processus de formation des galaxies et de vérifier si le scénario de fusion hiérarchique est valide, une équipe d'astronomes italiens et ESO a utilisé le très grand télescope d'ESO comme une «machine à remonter le temps» pour effectuer une recherche de galaxies elliptiques très éloignées. Cependant, ce n'est pas anodin. Les galaxies elliptiques éloignées, avec leur contenu d'étoiles anciennes et rouges, doivent être des objets très faibles en effet aux longueurs d'onde optiques car la majeure partie de leur lumière est décalée vers le rouge dans la partie infrarouge du spectre. Les galaxies elliptiques éloignées sont donc parmi les cibles d'observation les plus difficiles, même pour les plus grands télescopes; c'est aussi pourquoi le record de décalage vers le rouge de 1,55 persiste depuis si longtemps.
Mais ce défi n'a pas arrêté les chercheurs. Ils ont obtenu une spectroscopie optique profonde avec l'instrument multimode FORS2 sur le VLT pour un échantillon de 546 objets faibles trouvés dans une zone du ciel de 52 arcmin2 (ou environ un dixième de la zone de la pleine lune) connu sous le nom de champ K20, et qui chevauche en partie la zone GOODS-South. Leur persévérance a porté ses fruits et ils ont été récompensés par la découverte de quatre vieilles galaxies massives avec des décalages vers le rouge entre 1,6 et 1,9. Ces galaxies sont observées lorsque l'Univers n'avait que 25% environ de son âge actuel de 13 700 millions d'années.
Pour l'une des galaxies, l'équipe K20 a également bénéficié de la base de données des spectres accessibles au public dans la zone GOODS-South, prise par l'équipe ESO / GOODS.
Une nouvelle population de galaxies
Les galaxies nouvellement découvertes sont ainsi visibles lorsque l'Univers avait environ 3500 millions d'années, soit 10000 millions d'années. Mais d'après les spectres pris, il apparaît que ces galaxies contiennent des étoiles âgées de 1 000 à 2 000 millions d'années. Cela implique que les galaxies doivent s'être formées en conséquence plus tôt, et qu'elles doivent essentiellement avoir achevé leur assemblage à un moment où l'Univers n'avait que 1500 à 2500 millions d'années.
Les galaxies semblent avoir des masses supérieures à cent mille millions de masses solaires et elles sont donc de tailles similaires aux galaxies les plus massives de l'Univers actuel. Des images complémentaires prises dans le cadre de l'enquête GOODS («The Great Observatory Origins Deep Survey») par le télescope spatial Hubble montrent que ces galaxies ont des structures et des formes plus ou moins identiques à celles des galaxies elliptiques massives actuelles.
Les nouvelles observations ont donc révélé une nouvelle population de galaxies très anciennes et massives.
L'existence de telles galaxies sphéroïdales massives et anciennes dans l'Univers ancien montre que l'assemblage des galaxies elliptiques massives actuelles a commencé beaucoup plus tôt et était beaucoup plus rapide que prévu par la théorie de la fusion hiérarchique. Selon Andrea Cimatti (INAF, Firenze, Italie), chef de l'équipe: «Notre nouvelle étude soulève désormais des questions fondamentales sur notre compréhension et notre connaissance des processus qui ont régulé la genèse et l'histoire évolutive de l'Univers et de ses structures.»
Source d'origine: communiqué de presse de l'ESO
