galaxies invisibles révélées par des quasars

Salut

Des protogalaxies dépourvues d’étoiles brillent par fluorescence grâce à un trou noir supermassif voisin.



Dans l’Univers primordial, de sombres galaxies de gaz, dépourvues d’étoiles, se sont formées. C’est du moins ce qu’affirmaient les théories de formation et d’évolution des galaxies. Comme ces structures n’émettent pas de lumière, elles sont très difficiles à observer. Néanmoins, Sebastiano Cantalupo et Martin Haehnelt, de l’Institut Kvali de cosmologie de Cambridge, et Simon Lilly, de l’Institut d’astronomie de Zurich, ont réussi à observer de telles galaxies faiblement éclairées par un quasar.

Le gaz qui constitue le milieu intergalactique joue un rôle crucial dans la formation des structures dans l’Univers. Piégé dans des puits gravitationnels, il forme des nuages gigantesques – ou protogalaxies. Lorsque sa densité est suffisamment élevée, des étoiles naissent. Dans les premières phases de l’Univers, certains nuages de gaz n’étaient pas assez denses pour provoquer des effondrements gravitationnels et faire naître des étoiles. Cependant, ces nuages de gaz sont importants dans l’histoire de la formation des galaxies, car ils ont fusionné avec d’autres nuages et les ont alimenté en gaz jusqu’à obtenir une densité suffisante pour créer des étoiles. Des études théoriques montrent que de tels halos de gaz peuvent atteindre entre 1 milliard et 100 milliards de fois la masse du Soleil, mais l’absence d’étoiles et la grande distance qui les sépare de nous rendent difficile leur observation.

En 1987, une stratégie d’observation originale de ces protogalaxies a été proposée. L’idée était d’étudier l’espace sur plusieurs millions d’années-lumière autour d’un quasar. Ce dernier est un trou noir supermassif qui accélère la matière environnante. Celle-ci chauffe et émet une grande quantité de lumière, qui se propage et est absorbée par les halos de gaz, lesquels émettent alors, par fluorescence, un rayonnement dans l’ultraviolet. Il s’agit d’une raie d’émission de l’atome d’hydrogène nommée Lyman-alpha. Du fait de la distance de ces nuages de gaz par rapport à notre galaxie et de l’expansion de l’Univers, ces émissions subissent un décalage vers des longueurs d’onde plus grandes. Elles peuvent être alors observées dans le spectre visible.

S. Cantalupo et ses collègues ont utilisé le télescope VLT de l’Observatoire austral européen au Chili pour étudier le voisinage du très brillant quasar HE 0109-3518, distant de 10,9 milliards d’années-lumière. L’émission Lyman-alpha est observable dans le violet. En 20 heures d’observations, les astronomes ont détecté 98 objets brillants dans cette gamme de longueurs d’onde, à une distance de quelques millions d’années-lumière du quasar. Ils en ont trouvé 12 qui ne montrent aucun indice de la présence d’étoiles. Ainsi, leurs émissions sont très probablement de la fluorescence due au quasar. Les astronomes ont pu estimer que ces protogalaxies ont une masse de l’ordre de un milliard de masses solaires, une valeur compatible avec la théorie, et qu’elles présentent une efficacité de formation d’étoiles 200 fois plus faible que les galaxies typiques dont le rayonnement est dominé par les étoiles. Par cette observation, S. Cantalupo et ses collègues ont mis en évidence un chaînon jamais observé dans l’histoire de la formation des galaxies.

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