Résultat scientifique

La naissance et les premiers instants de l’évolution des galaxies – comme notre Voie Lactée – dans les quelques centaines de millions d’années après le Big Bang est encore largement inaccessible aux moyens d’observation actuels. Ces dernières décennies, des galaxies ont pu être observées jusqu’à l’époque dite des « Ages Sombres », dans les 700 premiers millions d’années, lorsque l’univers était rempli d’un nuage d’hydrogène dense. Ces premières galaxies sont très faibles et enfouies dans un brouillard de gaz. Il est de ce fait très difficile de les observer à partir des observatoires actuels, et leur naissance et premières étapes d’assemblage n’ont jamais été observées en détail.

Pour identifier et étudier les propriétés de galaxies nouvellement formées, une équipe internationale a suivi une approche différente présentée dans une nouvelle étude publiée dans le numéro de mars de la revue Nature Astronomy. De fait, de nouvelles galaxies continuent de se former bien après les « Ages Sombres », et cette nouvelle étude a permis d’identifier des galaxies naissantes observées plus tard dans la vie de l’univers, environ un milliard d’années après les « Ages Sombres », quand l’univers n’avait cependant que 5% de son âge actuel. Etant malgré tout un peu plus proches de nous et sorties du brouillard dans lequel elles baignaient précédemment, ces galaxies sont plus faciles à étudier en détail ce qui a permis à cette équipe d’observer toutes les propriétés des galaxies dans leurs premiers instants.

Cette découverte a nécessité un important effort d’observation, coordonné dans le relevé VIMOS Ultra-Deep Survey (VUDS), le plus important relevé de galaxies à ces distances conduit avec le Very Large Telescope (VLT) de l’Observatoire Européen Austral au Chili. C’est notamment grâce à la spectroscopie très sensible obtenue avec le spectrographe VIMOS au VLT, complétée par des images du télescope spatial Hubble (NASA-ESA), que l’équipe a pu étudier les propriétés de ces « enfants galaxies » avec des détails sans précédent.

« Pour la première fois nous pouvons observer une population de galaxies extrêmement jeunes, présentant toutes les propriétés attendues des premières galaxies beaucoup plus tôt dans l’univers. Nous pouvons les observer avec des détails sans équivalent », affirme Ricardo Amorin de l’Observatoire astronomique de Rome (INAF), et travaillant maintenant à l’université de Cambridge (UK).

Les spectres obtenus avec VIMOS mettent en évidence que ces galaxies sont très riches en gaz ionisé, « avec très peu de poussières et d’éléments dit métalliques, comme le Carbone et l’Oxygène, qui sont produits par les premières étoiles massives dans une galaxie et dispersés très tôt lorsque ces étoiles meurent », précise Enrique Perez-Montero de l’Institut d’Astrophysique d’Andalousie, co-auteur de l’article. Ces étoiles très chaudes illuminent (ionisent) le gaz environnant avant de mourir en supernovæ dans une gigantesque explosion produisant des écoulements de gaz à grande échelle qui entrainent le gaz et les éléments métalliques. Les auteurs proposent que ce mécanisme pourrait expliquer comment leurs analogues primitifs ont pollué l’univers avec ces éléments métalliques et ont nettoyé leur environnement de gaz, contribuant à la fin des « Ages Sombres ».

Adriano Fontana de l’Observatoire de Rome (INAF), et co-auteur de l’étude, explique : « nous observons ces galaxies lors de ce qui semble être leur premier épisode de formation massive d’étoiles, ce qui les rend très lumineuses ». Olivier Le Fèvre, du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (Aix-Marseille Université et CNRS) et responsable scientifique du programme VUDS, ajoute : « nous avons pu trouver ces galaxies grâce aux observations très profondes d’un échantillon sans précédent de plus de deux mille galaxies. Les images du télescope spatial Hubble montrent des galaxies environ 30 fois plus petites et 100 fois moins massives que notre Voie Lactée, avec des formes compactes et irrégulières se présentant quelques fois en paires de galaxies en coalescence ».

Les galaxies découvertes dans cette étude éclairent sous un nouvel angle le processus encore largement inconnu de la formation des premières galaxies. Les méthodes mises en œuvre préparent à une meilleure interprétation des données qui seront obtenues avec le futur télescope spatial James Webb (JWST, NASA-ESA-CSA) qui sera lancé de Kourou fin 2018. Une époque excitante et potentiellement révolutionnaire de la cosmologie observationnelle et de l’étude de la formation des galaxies vient de commencer.

Proxima du Centaure, l’étoile la plus proche du soleil, abrite un système planétaire composé d’au moins une planète. C’est en analysant et complétant d’anciennes observations qu’une telle découverte a récemment été faite, marquant ainsi le domaine de la recherche d’exoplanètes. Ces nouvelles mesures ont montré que cette planète, nommée Proxima Centauri b – ou plus simplement Proxima b –, possède une masse minimale proche de celle de la Terre (1,3 fois cette dernière) et orbite autour de son étoile à une distance de 0,05 unités astronomiques (soit un dixième de la distance Soleil-Mercure). Contrairement à ce que l’on pourrait penser, une distance aussi faible n’implique pas une température élevée à la surface de Proxima b. Comme Proxima du Centaure est une naine rouge, sa masse et son rayon ne correspondent qu’à un dixième de ceux du Soleil, et sa luminosité est mille fois plus faible que notre étoile. A une telle distance, Proxima b se trouve donc dans la zone habitable de son étoile. Elle est susceptible d’abriter de l’eau liquide à sa surface et donc d’abriter des formes de vie.

Cependant on sait très peu de choses sur Proxima b, en particulier son rayon demeure inconnu. Il est donc impossible de savoir à quoi ressemble la planète, ni de quoi elle est composée. La mesure du rayon d’une exoplanète s’effectue généralement lors d’un transit, où cette dernière éclipse son étoile. Mais un tel événement a une faible probabilité (1,5%), et plusieurs observations de l’étoile ne montrent en effet aucun signe de transit.

Il existe un autre moyen pour estimer le rayon d’une planète si l’on connaît sa masse, en simulant le comportement des matériaux qui la composent. C’est la méthode utilisée par une équipe de chercheurs Franco-Américaine issue du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Université) et du Département d’Astronomie de l’Université de Cornell. Avec l’aide d’un modèle de structure interne, ils ont exploré les différentes compositions que Proxima b pourrait présenter et en ont déduit les valeurs correspondantes du rayon de la planète. Ils ont restreint leur étude au cas de planètes potentiellement habitables en simulant des planètes denses et solides, formées d’un noyau métallique et un manteau rocheux comme dans les planètes telluriques du système solaire, tout en autorisant l’incorporation d’une importante masse d’eau dans leur composition.

Ces hypothèses autorisent une grande diversité de compositions pour Proxima b, le rayon de la planète pouvant varier entre 0,94 et 1,40 fois le rayon de la Terre (6371 km) pour la masse minimale de cette planète. L’étude montre ainsi que Proxima b possède un rayon minimum de 5990 km, et que la seule manière d’obtenir cette valeur est d’avoir une planète très dense, composée d’un noyau métallique d’une masse valant 65% de celle de la planète, le reste étant un manteau rocheux (formé de silicates) présent jusqu’en surface. La frontière entre ces deux matériaux est alors située à environ 1500 km de profondeur. Avec une telle composition, Proxima b serait très proche de la planète Mercure, qui présente elle aussi un noyau métallique très massif. Ce premier cas n’exclut cependant pas la présence d’eau à la surface de la planète, comme sur Terre où la masse d’eau ne dépasse pas 0,05% de la masse de la planète. A l’opposé, Proxima b peut aussi présenter un rayon maximal de 8920 km, à condition qu’elle soit composée à 50% de roches entourées de 50% d’eau. Dans ce cas, Proxima b serait recouverte d’un unique océan liquide de 200 km de profondeur. En-dessous, la pression serait tellement forte que l’eau liquide se transformerait en glace à haute pression, avant d’atteindre la limite avec le manteau à 3100 km de profondeur. Dans ces deux cas extrêmes, une fine atmosphère gazeuse pourrait englober la planète, comme sur Terre, rendant Proxima b potentiellement habitable.

De tels résultats apportent des informations complémentaires importantes aux différents scénarios de formation qui ont été proposés pour Proxima b. Certains impliquent une planète complètement sèche, tandis que d’autres autorisent la présence d’une quantité significative d’eau dans sa composition. Les travaux de l’équipe de chercheurs permettent d’avoir une estimation du rayon de la planète dans chacun de ces scénarios. De même, cela permet de restreindre la quantité d’eau disponible sur Proxima b, qui est sujette à une évaporation sous l’influence des rayons ultraviolets et X de l’étoile hôte, qui sont beaucoup plus violents que ceux issus du Soleil.

De futures observations de Proxima du Centaure permettront d’affiner cette étude à l’avenir en précisant la masse de la planète. Par ailleurs, la mesure des abondances stellaires en éléments lourds (Mg, Fe, Si…) diminuera le nombre de compositions possibles pour Proxima b, permettant une détermination encore plus précise du rayon de Proxima b.

En raison de leur aspect diffus et de leur très faible brillance, ces galaxies pourtant massives sont difficiles à observer et restent méconnues aujourd’hui. Elles pourraient constituer une fraction importante des galaxies dans l’univers, d’autant que des objets semblables à Malin 1 pourraient avoir échappé à notre vigilance. Il est donc indispensable de les étudier et de comprendre leur formation et leur évolution. Cela devient maintenant possible grâce aux télescopes et détecteurs modernes, plus sensibles aux faibles brillances de surface.

Cet article présente pour la première fois des images de Malin 1 obtenues à six longueurs d’onde différentes (allant de l’ultraviolet grâce au projet GUViCS ¹ à l’optique et l’infra-rouge proche grâce au projet NGVS mené avec la caméra MegaCam du Canada France Hawaï Telescope, CFHT). A l’origine planifié pour étudier l’amas de la Vierge, ces grandes campagnes d’observations nous permettent aussi de travailler sur d’autres objets situés en arrière-plan de cet amas, comme c’est le cas dans cette étude.

Ces images nous offrent une nouvelle vue de Malin 1, le plus grand disque galactique connu dans l’univers. Son diamètre dépasse 250 kilo-parsec (en comparaison, celui de notre Galaxie est « seulement » d’une trentaine de kilo-parsec). Les chercheurs ont extrait de ces données la variation de la luminosité avec la distance au centre de la galaxie, ainsi que la variation des « couleurs » de la galaxie (c’est à dire des rapports de luminosité aux différentes longueurs d’ondes). Celles-ci dépendent fortement de l’histoire de la galaxie. La comparaison de ces résultats observationnels aux prédictions de différents modèles numériques a donc permis à l’équipe d’estimer pour la première fois quelle à du être l’histoire de la formation stellaire. Elle suggère que le disque géant de Malin 1 est en place depuis plusieurs milliards d’années, et que des étoiles s’y forment à un rythme modeste mais régulier sur le long-terme.

Ce résultat est important et surprenant, car il contredit un scénario proposé il y a quelques années, selon lequel ces galaxies géantes sont formées lors d’interactions violentes. Il semble à présent exclu par les nouvelles données. Dans le contexte cosmologique de la formation des galaxies, on s’attend à de nombreuses interactions et fusions qui devraient perturber le disque de Malin 1. La formation d’une telle structure, et de sa survie dans ce contexte, offre donc un nouveau défi pour les simulations cosmologiques de formation des galaxies.

Que va-t-il advenir de Malin 1 ? Le disque géant contenant une grande fraction de gaz, la formation d’étoiles va probablement continuer à se produire à un rythme modeste pendant des milliards d’années, lui permettant d’accroire encore sa masse d’étoiles. A moins que d’ici là, une autre galaxie ne vienne perturber la géante, et pourquoi pas fusionner avec elle pour totalement changer sa destinée. Les galaxies candidates sont cependant peu nombreuses car Malin 1 réside dans un recoin relativement isolé de notre univers proche.