Pourquoi certaines galaxies massives de l’Univers jeune se sont-elles éteintes ?

Les galaxies commencent à mourir en cessant de former des étoiles : pour la première fois, les astronomes ont pu avoir un aperçu clair de ce processus dans une galaxie très éloignée, a annoncé l’Observatoire européen austral (ESO) le 11 janvier 2021. L’observation de cette galaxie en train de s’éteindre pourrait s’avérer utile pour comprendre ce qui a « tué » une partie des galaxies massives de l’Univers alors qu’il était encore jeune.

Nous voyons cette galaxie, ID2299, telle qu’elle était quand l’Univers n’était âgé que de 4,5 milliards d’années. Sa lumière met 9 milliards d’années à nous atteindre. Les scientifiques ont pu l’observer en train d’éjecter la moitié de son gaz, nécessaire à la formation d’étoiles, à un rythme impressionnant (comme si la galaxie éjectait l’équivalent de 10 000 soleils par an). Le gaz restant sera probablement vite consommé pour former des étoiles, ce qui devrait aboutir à l’extinction de ID2299 dans à peine quelques dizaines de millions d’années.

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Une anomalie mal expliquée

« Les processus physiques responsables de l’arrêt soudain de la formation d’étoiles dans les galaxies massives n’ont pas encore été clarifiés », écrit l’équipe de scientifiques dans Nature Astronomy. Comme le souligne le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) dans son propre communiqué, l’Univers était caractérisé par une formation d’étoiles foisonnante dans la plupart des galaxies, il y a 4 à 5 milliards d’années. Néanmoins, on sait qu’un tiers des galaxies ne forme plus d’étoiles à cette période, une anomalie qui n’est pas encore bien expliquée.

Distribution du gaz froid dans une galaxie fusionnée (simulations).

Source : Fensch et al. 2017, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 465, Issue 2, p.1934-1949, doi:10.1093/mnras/stw2920

Une hypothèse invoquée repose sur le rôle des trous noirs supermassifs logés au cœur de ces galaxies. « Les observations démontrent l’existence de corrélations étroites entre les propriétés des trous noirs et leurs galaxies hôtes », rappellent les auteurs dans leur étude. Les éjections de gaz en grande quantité étaient attribuées aux trous noirs, qui agglomèrent de la matière en émettant de l’énergie et des vents qui sont capables de rejeter le gaz de la galaxie. Cependant, ce scénario ne semble pas s’appliquer à ID2299.

Un autre scénario : la fusion de galaxies

Ici, les auteurs estiment qu’un autre processus doit expliquer la perte de gaz spectaculaire de la galaxie : une fusion de galaxies qui a dû donner naissance à ID2299. Les scientifiques ont forgé cette hypothèse en observant « une queue de marée », c’est-à-dire une trainée étoilée et gazeuse, associée à l’éjection du gaz. Si l’on observe régulièrement des queues de marées au niveau de galaxies proches de nous, parvenir à en détecter une dans une galaxie lointaine est bien plus complexe, car ces structures sont faiblement lumineuses.

La fusion des deux galaxies composant certainement ID2299 aurait exercé une force de marée importante (qui déforme la galaxie). Les scientifiques ajoutent à cela que la moitié du gaz de la galaxie a dû être comprimé dans un noyau central, puis qu’il a servi à former rapidement de nouvelles étoiles (500 fois plus vite que dans notre galaxie). Les simulations numériques vont dans le sens de l’observation du gaz éjecté, qui a elle été réalisée avec le Grand réseau d’antennes millimétrique/submillimétrique de l’Atacama (ALMA), un radiotélescope géant au Chili.

De tels événements pourraient se produire suffisamment fréquemment pour expliquer que de nombreuses galaxies massives ne forment plus d’étoiles à cette époque. ALMA pourrait de nouveau être mobilisé pour observer plus profondément la galaxie ID2299, afin de mieux cerner la dynamique du gaz expulsé.