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Mosaïque montrant une partie des galaxies observées avec Alma. Les régions en jaune intense sont celles qui forment le plus d’étoiles. © Michele Ginolfi / collaboration Alpine

Alors que l’Univers n’avait qu’un dixième de son âge actuel, les galaxies ont connu une poussée de croissance. C’est sur cette période que se sont penchés les scientifiques du projet Alpine, en réalisant le premier grand relevé de galaxies lointaines à l’aide du télescope Alma de l’ESO. Avec une surprise à la clé : ces galaxies observées au début de leur vie sont bien plus évoluées qu’attendu. Ces travaux font l’objet d’une série d’articles dans la revue Astronomy & Astrophysics le 27 octobre 2020.

Les galaxies ont commencé à se former très tôt dans l’histoire de l’Univers. Pour étudier leur enfance, il faut donc remonter à l’aube du temps, autrement dit observer des galaxies très lointaines. Le projet Alpine s’est penché sur la période entre 1 et 1,5 milliard d’années après le Big bang, quand les premières galaxies ont connu une poussée de croissance.

Si des galaxies aussi lointaines avaient déjà été observées, c’est la première fois qu’un si grand nombre est étudié de manière systématique. Des images de 118 galaxies massives, obtenues avec les télescopes spatiaux Hubble (en lumière visible) et Spitzer (dans le proche infrarouge), ainsi que des spectres acquis avec les télescopes terrestres VLT et Keck ont été complétés par 70 heures d’observation avec Alma, dans le domaine des ondes submillimétriques (entre l’infrarouge et les ondes radio).

Ce dernier instrument permet en effet de quantifier la poussière, signe de maturité pour les galaxies, et le gaz froid, qui informe sur leur vitesse de croissance et le nombre d'étoiles qu'elles peuvent former, ainsi que le mouvement de ce gaz, autrement dit la dynamique des galaxies. Et c’est de là que sont venues les surprises.

Pour commencer, les galaxies observées se sont révélées très riches en gaz froid, carburant de la formation d’étoiles… mais aussi en poussières, pourtant considérées comme des sous-produits des étoiles en fin de vie. Malgré leur jeune âge, ces galaxies auraient donc déjà formé et vu mourir une première génération d’étoiles ! Les galaxies étudiées présentent aussi des formes étonnamment variées : certaines sont désordonnées, d’autres ont déjà un disque en rotation qui conduira peut-être à une structure en spirale comme dans la Voie lactée, d’autres enfin ont été surprises en train de fusionner. Autre élément surprenant : il semblerait que certaines galaxies éjectent du gaz, formant autour d’elles de mystérieux halos. Ce relevé soulève donc un certain nombre de nouvelles questions sur l’évolution précoce des galaxies.