Découverte, une galaxie de l’âge de l’univers s’est subitement éteinte !

Un monstre de galaxie qui a vécu intensément avant de mourir dans la fleur de l’âge ! Pourquoi ? Les astronomes ne l’expliquent pas encore.

La galaxie XMM-2599 a formé de grandes quantités d’étoiles peu après sa formation puis elle a brusquement cessé d’en fabriquer.

C’est grâce à l’Observatoire W.M. Keck, installé sur le Manau Kea à Hawaï, équipé d’un puissant spectrographe infrarouge surnommé Mosfire pour Multi-Object Spectrograph for Infrared Exploration. C’est grâce à lui qu’une équipe internationale d’astronomes, dirigée par des scientifiques de l’Université de Californie-Riverside, ont débusqué une galaxie ultramassive qui existait seulement 1,8 milliard d’années après le Big Bang et à environ 12 milliards d’années-lumière de notre Terre, une galaxie monstre inhabituelle : XMM-2599.

« Avant même que notre univers ait atteint les 2 milliards d’années, XMM-2599 avait déjà formé une masse de plus de 300 milliards de Soleils. De quoi la classer parmi les galaxies “ultra-massives” », explique Benjamin Forest, chercheur, dans un communiqué de l’université de Californie à Riverside (États-Unis). « Plus remarquable encore, nous montrons que cette galaxie a frénétiquement formé des étoiles lorsque l’univers avait moins de 1 milliard d’années pour devenir totalement inactive avant même qu’il ait atteint 1,8 milliard d’années. »

Au cours de son pic d’activité, la galaxie monstre XMM-2599 formait ainsi plus de 1.000 masses solaires par an. La Voie lactée ne forme pas plus d’une étoile par an. Et bien que ce type de galaxie « ultra-massive » soit rare, les modèles prédisent leur existence. Mais ils prédisent aussi qu’à cette époque de la vie de notre Univers, elles devraient encore être activement en train de former des étoiles. Pourquoi XMM-2599 a cessé de donner naissance à des étoiles aussi tôt reste donc un mystère.

En apprendre plus sur l’évolution de cette galaxie « super-massive »

Pour les astronomes de l’université de Californie, la galaxie monstre pourrait être la descendante d’une population de galaxies poussiéreuses. Des galaxies récemment découvertes par les derniers télescopes infrarouges, extrêmement lointaines – et anciennes – et qui forment des étoiles à un rythme effréné.

Les astronomes de l’université de Californie ont observé XMM-2599 dans sa phase inactive et ils ignorent ce qu’elle a pu devenir depuis. Mais ils imaginent assez bien qu’elle constitue aujourd’hui l’élément central de l’un des amas de galaxies les plus brillants et les plus massifs de l’univers local. Même si elle a aussi pu continuer à évoluer toute seule. Ou que la réalité se place peut-être quelque part entre ces deux extrêmes.

Pour répondre à ces questions laissées en suspens, les chercheurs de l’université de Californie ont obtenu un peu plus de temps d’observation avec Mosfire. Un temps qu’ils comptent mettre à profit pour enfin comprendre comment les galaxies monstres se forment puis meurent.

Découverte par hasard, cette énorme galaxie pourrait être le chaînon manquant dans l’évolution des galaxies

L’univers primitif était rempli de galaxies monstres. C’est du moins la conclusion à laquelle arrivent des astronomes après avoir découvert une galaxie géante en formation située à quelque 12,5 milliards d’années-lumière de notre Terre. Une sorte de yéti de l’espace…

La légende raconte qu’une créature anthropomorphe vit quelque part dans l’Himalaya. Un abominable homme des neiges. Le yéti. Et c’est en quelque sorte du yéti du cosmos que des chercheurs de l’université de l’Arizona (États-Unis) nous offrent aujourd’hui la toute première image. Celle d’une gigantesque galaxie en formation. Un type de galaxies qui — un peu comme l’abominable homme des neiges — avait jusqu’alors échappé à toutes les observations directes.

C’est en étudiant de nouvelles données issues d’Alma, l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ce réseau de 66 radiotélescopes perdu dans le désert du Chili, que Christina Williams a perçu, tout à fait par hasard, comme une tache de lumière, signature potentielle d’une galaxie. Jusque-là, rien d’extraordinaire. Sauf que cette tache brillait dans une région du ciel dépourvu de toute galaxie connue. « Lorsque j’ai découvert que cette galaxie était invisible à toutes les autres longueurs d’onde, j’ai été très excitée. Cela ne pouvait que signifier que cette galaxie était très éloignée et cachée par des nuages de poussière », raconte l’astronome.

Les chercheurs estiment aujourd’hui que la lumière observée par Christina Williams a mis pas moins de 12,5 milliards d’années à parvenir jusqu’à nous. Comme un témoin des premiers instants de notre univers. Selon les astronomes, l’émission observée est causée par la lueur chaude des particules de poussière chauffées par les étoiles en formation au cœur de cette jeune galaxie. Mais comme ces nuages de poussière cachent la lumière des étoiles elles-mêmes, la galaxie était, jusqu’alors, restée invisible.

Pourquoi est-elle invisible ?

Il est étonnant d’avoir pu détecter cette galaxie car elle est invisible. Le signal détecté provient certainement de particules de poussières, chauffées alors que des étoiles sont en train de se former. Ces poussières, agglomérées en nuage, masquent la luminosité de ces étoiles, rendant la galaxie invisible. Les auteurs notent qu’il s’agit probablement d’une galaxie à noyau actif. Elle est même qualifiée de « monstrueuse » par les scientifiques car elle possède autant d’étoiles que la Voie lactée, tout en étant « débordante d’activité ». Elle forme « de nouvelles étoiles à un taux de 100 fois celui de notre propre galaxie », commente Ivo Labbe, professeur à la Swinburne University of Technology et co-auteur de l’étude, cité dans le communiqué.

« La contribution totale de la formation d’étoiles masquée par la poussière, et par conséquent le recensement de la formation d’étoiles dans l’univers primordial, est inconnue », écrivent les scientifiques dans cette étude. Jusqu’à présent, la présence de telles galaxies n’avait pas été confirmée dans l’univers primordial. L’identification de ce spécimen est l’occasion d’en savoir davantage sur l’évolution des grandes galaxies de l’univers.

Le chaînon manquant de l’évolution galactique

Après étude, les astronomes pensent qu’il s’agit d’une galaxie monstre en formation. Qui contient environ autant d’étoiles que notre Voie lactée, mais qui déborde d’activité. Elle formerait des étoiles à un rythme cent fois plus important que celui de notre propre galaxie. Et elle pourrait surtout représenter le chaînon qui manquait aux chercheurs pour comprendre réellement l’évolution des galaxies.

Des études récentes ont en effet montré que certaines des plus grandes galaxies de notre univers ont grandi extrêmement rapidement. Alors que notre univers n’affichait que 10 % de son âge actuel. Mais la théorie peine à expliquer le phénomène. D’autant que les galaxies en question semblent sortir de nulle part. Aucune d’entre elles n’avait pu être observée au stade de sa formation. Les petites galaxies primitives découvertes par le télescope spatial Hubble ne se développant pas assez vite pour résoudre le problème. Et les observations de galaxies monstres ont aussi été trop rares pour apporter une explication satisfaisante.

« Notre galaxie pourrait être le chaînon manquant », suggère Christina Williams qui imagine que de tels objets sont finalement très répandus dans l’univers primitif. Sans quoi il aurait fallu une chance incroyable pour en détecter une seule dans une partie du ciel qui ne représente même pas un centième du disque de la pleine Lune. « Le télescope spatial James Webb – lancement prévu pour mars 2021 – sera capable de voir à travers les voiles de poussière. Nous pourrons alors déterminer la taille réelle de ces galaxies et à quelle vitesse elles grandissent afin de mieux comprendre pourquoi nos modèles échouent pour l’heure à les expliquer », conclut l’astronome.

Une formidable nurserie d’étoiles

Selon les observations obtenues par l’instrument MOSFIRE, un spectrographe multi-objet dans le proche infrarouge, cette énorme galaxie avait déjà formé une masse de plus de 300 milliards de soleils alors que l’Univers avait moins de deux milliards d’années. Et encore mieux : la plupart de ses étoiles se sont allumées avant même le premier milliard d’années. Ensuite, il y a 12 milliards d’années, XMM-2599 s’est brusquement arrêtée de fabriquer des étoiles, pour une raison encore indéterminée. À cette période d’évolution de l’Univers, très peu de galaxies ont cessé de donner naissance à des étoiles et aucune n’était aussi massive que cette dernière, s’étonnent les scientifiques dans un article publié dans la revue The Astrophysical Journal Letters.

Après des heures d’observations, ils ont appris à mieux connaître XMM-2599. Dans sa flamboyante jeunesse, elle formait jusqu’à 1.000 masses solaires par an, ce qui représente un taux de formation extrêmement élevé. À titre de comparaison, dans la Voie lactée, c’est en moyenne une nouvelle étoile qui apparaît chaque année. Selon les auteurs de l’article, XMM-2599 pourrait représenter une nouvelle catégorie de galaxies poussiéreuses, présentes dans le jeune Univers, que les progrès des instruments commencent tout juste à révéler.

Un scénario possible pour l’évolution de XMM-2599 : elle a commencé comme une galaxie massive et poussiéreuse formant des étoiles en grande quantité (à gauche). Puis elle est devenue inactive (au centre) et s’est peut-être transformée en une galaxie brillante au centre d’un amas galactique (à droite).

Une évolution pas très claire

XMM-2599 a été aperçue telle qu’elle était il y a 12 milliards d’années et les astronomes s’interrogent sur son évolution. « Nous savons qu’elle ne peut pas perdre de masse mais ce qui est intéressant c’est de connaître ce qui va se passer autour d’elle » estime Gillian Wilson, un des auteurs de l’article, dans un communiqué. Il se pourrait que cette galaxie attire vers elle, par gravitation, d’autres galaxies et devienne la région centrale d’un amas de galaxie. Auquel cas, elle pourrait se « rallumer » et recommencer à former des millions de nouvelles étoiles. Mais elle pourrait tout aussi bien continuer son existence de manière isolée, en restant inactive.

Ou encore évoluer selon un scénario compris entre ces deux extrêmes. Bref, les scientifiques n’en n’ont pratiquement aucune idée. Ils estiment quand même que le scénario de l’amas galactique est le plus probable. Pour trancher entre ces hypothèses, ils auront besoin d’observer d’autres galaxies similaires à XMM et si possible à divers degrés d’évolution. Pour ce faire, ils vont continuer d’exploiter les possibilités de l’instrument MOSFIRE qui est : « l’un des instruments les plus efficaces au monde, pour ce type de recherche » souligne Marianna Annunziatella, une autre auteure de l’étude.