Au fur et à mesure que les télescopes sont devenus plus avancés et plus puissants, les astronomes ont pu détecter de plus en plus de galaxies lointaines. Ce sont quelques-unes des premières galaxies à se former dans notre univers qui ont commencé à s’éloigner de nous au fur et à mesure de l’expansion de l’univers. En fait, plus la distance est grande, plus une galaxie semble s’éloigner rapidement de nous. Fait intéressant, nous pouvons estimer à quelle vitesse une galaxie se déplace, et à son tour, quand elle s’est formée en fonction de la façon dont son émission apparaît « décalée vers le rouge ». Ceci est similaire à un phénomène appelé effet Doppler , où les objets s’éloignant d’un observateur émettent la lumière qui semble décalée vers des longueurs d’onde plus longues (d’où le terme «décalage vers le rouge») pour l’observateur.
Le télescope ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), situé au milieu du désert d’Atacama au Chili, est particulièrement bien adapté pour observer de tels décalages vers le rouge dans les émissions des galaxies. Récemment, une équipe de chercheurs internationaux comprenant le professeur Akio Inoue et l’étudiant diplômé Tsuyoshi Tokuoka de l’Université Waseda, au Japon ; Dr Takuya Hashimoto de l’Université de Tsukuba, Japon ; le professeur Richard S. Ellis de l’University College de Londres ; et le Dr Nicolas Laporte, chercheur à l’Université de Cambridge, au Royaume-Uni, a observé les émissions décalées vers le rouge d’une galaxie lointaine, MACS1149-JD1 (ci-après JD1), ce qui les a conduits à des conclusions intéressantes. « Au-delà de la recherche d’un décalage vers le rouge élevé, à savoir des galaxies très éloignées, l’étude de leur mouvement interne du gaz et des étoiles fournit une motivation pour comprendre le processus de formation des galaxies dans l’univers le plus ancien possible », explique Ellis. Les résultats de leur étude ont été publiés dans Les lettres du journal astrophysique.
La formation des galaxies commence par l’accumulation de gaz et se poursuit par la formation d’étoiles à partir de ce gaz. Avec le temps, la formation des étoiles progresse du centre vers l’extérieur, un disque galactique se développe et la galaxie acquiert une forme particulière. Au fur et à mesure que la formation d’étoiles se poursuit, de nouvelles étoiles se forment dans le disque en rotation tandis que les étoiles plus anciennes restent dans la partie centrale. En étudiant l’âge des objets stellaires et le mouvement des étoiles et du gaz dans la galaxie, il est possible de déterminer le stade d’évolution atteint par la galaxie.
Menant une série d’observations sur une période de deux mois, les astronomes ont mesuré avec succès de petites différences dans le « décalage vers le rouge » d’une position à l’autre à l’intérieur de la galaxie et ont découvert que JD1 satisfaisait au critère d’une galaxie dominée par la rotation. Ensuite, ils ont modélisé la galaxie comme un disque en rotation et ont découvert qu’il reproduisait très bien les observations. La vitesse de rotation calculée était d’environ 50 kilomètres par seconde, ce qui a été comparé à la vitesse de rotation du disque de la Voie lactée de 220 kilomètres par seconde. L’équipe a également mesuré le diamètre de JD1 à seulement 3 000 années-lumière, beaucoup plus petit que celui de la Voie lactée à 100 000 années-lumière de diamètre.
L’importance de leur résultat est que JD1 est de loin la source la plus éloignée, et donc la plus ancienne jamais trouvée, qui a un disque en rotation de gaz et d’étoiles. Avec des mesures similaires de systèmes plus proches dans la littérature de recherche, cela a permis à l’équipe de délimiter le développement progressif des galaxies en rotation sur plus de 95% de notre histoire cosmique.
De plus, la masse estimée à partir de la vitesse de rotation de la galaxie était conforme à la masse stellaire précédemment estimée à partir de la signature spectrale de la galaxie, et provenait principalement de celle des étoiles « matures » qui se sont formées il y a environ 300 millions d’années. « Cela montre que la population stellaire de JD1 s’est formée à une époque encore plus ancienne de l’ère cosmique », explique Hashimoto.
« La vitesse de rotation de JD1 est beaucoup plus lente que celles trouvées dans les galaxies des époques ultérieures et dans notre galaxie, et il est probable que JD1 soit à un stade initial de développement d’un mouvement de rotation », explique Inoue. Avec le télescope spatial James Webb récemment lancé, les astronomes prévoient maintenant d’identifier les emplacements des étoiles jeunes et plus âgées dans la galaxie pour vérifier et mettre à jour leur scénario de formation de galaxies.
De nouvelles découvertes sont sûrement à l’horizon.
Rotation systématique possible dans la population stellaire mature de az = 9,1 galaxie, Les lettres du journal astrophysique (2022). DOI : 10.3847/2041-8213/ac7447