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Quatre des galaxies noires découvertes grâce à l’interféromètre Alma et leurs positions dans une image Hubble © CEA

Trente-neuf galaxies jusqu’ici inconnues ont été découvertes par le télescope Alma (Atacama Large Millimeter Array), au Chili. C’est le fruit du travail d’une équipe internationale, réunissant des chercheurs du CEA, du CNRS, de l’université Paris Diderot et de Sorbonne Paris Cité. L’étude a été publiée dans la revue Nature le 8 août 2019.

Des chaînons manquants dans l'histoire des galaxies

« Depuis longtemps, on cherche l’origine des galaxies les plus massives de l’Univers, leurs ancêtres », explique David Elbaz, astronome à l’Irfu (CEA) et coauteur de la publicationqui compare cette recherche à celle des dinosaures à partir de leurs squelettes. Ces 39 galaxies, dont la formation remonte à moins de 2 milliards d'années après le Big Bang, constitueraient le chaînon manquant entre les deux populations déjà connues : les galaxies jeunes et visibles de l'Univers lointain, d’une part, et les galaxies « mortes » très massives et moins lointaines d’autre part. 

À masse égale, ces nouvelles galaxies, dites « noires » car invisibles, sont dix fois plus abondantes et forment jusqu'à cent fois plus d'étoiles que la première population ! Elles témoignent ainsi d’un événement majeur dans l'histoire des galaxies et permettent d’élucider l’origine des galaxies dites « massives », dont les descendantes sont aujourd’hui des galaxies « mortes », qui ne forment plus de nouvelles étoiles.

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Images de longueur d’onde submillimétrique Air et Alma des pertes de signal détectées par Alma © Nature

Des galaxies précocement adultes 

Ces galaxies noires, parmi les plus massives de l'Univers jeune – entre quelques centaines de millions d’années et deux milliards d’années après le Big Bang – sont dix fois plus nombreuses que celles observées jusque-là en lumière visible avec le télescope spatial Hubble. Selon les chercheurs, ce sont les ancêtres des galaxies dites « elliptiques » ou « mortes », de forme ellipsoïdale, qui ne génèrent plus de nouvelles étoiles et sont plus massives que notre Galaxie.

« Ces galaxies détectées par Alma constituent probablement la première population de galaxies elliptiques massives formées dans l’Univers jeune, explique David Elbaz, mais il y a un problème : elles sont étonnamment abondantes ». En effet, 90 % des galaxies massives datant des deux premiers milliards d’années de l’histoire de l’Univers ont formé leurs étoiles de manière « totalement invisible au plus puissant télescope : Hubble », souligne David Elbaz. 

Autrement dit, l’Univers a été capable en moins d’un milliard d’années de donner naissance à des galaxies aussi massives que la Voie lactée. Une découverte « profondément troublante, car ce sont des galaxies adultes, mûres, massives, à une époque où les galaxies sont censées être des bébés », commente David Elbaz. 

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Grand réseau d’antennes millimétriques/submillimétriques de l’Atacama (Alma) © Eso

Des modèles à revoir

C’est une véritable surprise. Reste désormais à expliquer la formation de tant de galaxies massives en ce temps record, chose que les modèles actuels ne permettent pas de faire. Faut-il pour autant abandonner ces modèles ? Sans doute pas, mais les physiciens devront probablement revoir leur compréhension des mécanismes physiques internes aux galaxies. 

« On connaît la matière noire, on connaît l’énergie noire, maintenant on a les galaxies noires, qui sont une nouvelle énigme que doivent résoudre nos modèles », conclut David Elbaz. Avec un lancement prévu pour 2021, le télescope spatial James Webb, successeur de Hubble, permettra probablement d’en savoir davantage sur cette mystérieuse population de galaxies.