Les astronomes ont réalisé l’étude la plus vaste et la plus détaillée sur ce qui déclenche la formation d’étoiles dans les plus grandes galaxies de l’univers, en utilisant l’observatoire à rayons X Chandra de la NASA et d’autres télescopes. Ils ont été surpris de constater que les conditions de conception stellaire dans ces galaxies exceptionnellement massives n’ont pas changé au cours des dix derniers milliards d’années.
« Ce qui est surprenant ici, c’est qu’il y a beaucoup de choses qui auraient pu affecter la formation des étoiles au cours des dix derniers milliards d’années », a déclaré Michael Calzadilla du Massachusetts Institute of Technology (MIT), qui a dirigé l’étude. « En fin de compte, cependant, le principal moteur de la formation d’étoiles dans ces immenses galaxies se résume en réalité à une chose : la question de savoir si les gaz chauds qui les entourent peuvent ou non se refroidir assez rapidement. »
Les amas de galaxies sont les plus grands objets de l’univers maintenus ensemble par la gravité et contiennent d’énormes quantités de gaz chauds visibles dans les rayons X. La masse de ce gaz chaud est plusieurs fois supérieure à la masse totale de toutes les étoiles des centaines de galaxies que l’on trouve généralement dans les amas de galaxies.
Calzadilla et ses collègues ont étudié la classe de galaxies la plus brillante et la plus massive de l’univers, appelées amas de galaxies les plus brillants, au centre de 95 amas de galaxies. Les amas de galaxies choisis constituent eux-mêmes un échantillon extrême – les amas les plus massifs d’une vaste étude réalisée à l’aide du télescope du pôle Sud (SPT) – et sont situés entre 3,4 et 9,9 milliards d’années-lumière de la Terre.
L’équipe a découvert que la formation d’étoiles dans les galaxies étudiées est déclenchée lorsque la quantité de mouvement désordonné dans le gaz chaud – un concept physique appelé « entropie » – tombe en dessous d’un seuil critique. En dessous de ce seuil, les gaz chauds se refroidissent inévitablement pour former de nouvelles étoiles.
« Il est impressionnant de penser qu’un seul chiffre nous indique si des milliards d’étoiles et de planètes se sont formées dans ces immenses galaxies, remontant à dix milliards d’années », a déclaré le co-auteur Michael McDonald, également du MIT.
Alors que d’autres tentatives ont été faites pour identifier les facteurs responsables de la formation d’étoiles dans des galaxies aussi immenses au cours du temps cosmique, cette étude est la première à combiner des observations radiologiques et optiques des centres d’amas sur une aussi large gamme de distances. Cela permet aux chercheurs de relier le combustible nécessaire à la formation des étoiles (le gaz chaud détecté avec Chandra) à la formation réelle des étoiles après le refroidissement du gaz, comme on le voit avec les télescopes optiques, sur la majeure partie de l’histoire de l’univers.
L’équipe a également utilisé des radiotélescopes pour étudier les jets de matière provenant des trous noirs supermassifs de ces amas. Dans un processus appelé « rétroaction », le gaz chaud qui se refroidit pour former des étoiles finit par alimenter les trous noirs, ce qui entraîne des jets et d’autres activités qui réchauffent et dynamisent leur environnement, empêchant temporairement un refroidissement ultérieur. Lorsque le trou noir manque de carburant, les jets s’éteignent et le processus recommence.
« C’est comme si nous avions rassemblé différents chapitres du livre sur la formation des étoiles tout au long de la vie de l’univers », a déclaré le co-auteur Brad Benson, de l’Université de Chicago et du Fermilab dans l’Illinois. « Au lieu d’être écrite avec des mots, cette histoire est racontée sous forme de rayons X, d’optique et de radio. »
Un aspect inattendu de cette étude est que des travaux antérieurs avaient suggéré que d’autres facteurs que le refroidissement des gaz chauds pourraient jouer un rôle plus important dans la formation d’étoiles dans un passé lointain. Il y a dix milliards d’années, à une époque que les astronomes appellent « midi cosmique », les collisions et les fusions de galaxies en amas étaient beaucoup plus fréquentes, les taux de formation d’étoiles étaient généralement beaucoup plus élevés et les trous noirs supermassifs de la galaxie attiraient de la matière beaucoup plus rapidement.
« Le type de formation d’étoiles que nous observons est remarquablement cohérent, même à l’approche de midi cosmique alors qu’il aurait pu être submergé par d’autres processus », a déclaré Lindsey Bleem, co-auteur de l’Argonne National Laboratory dans l’Illinois. « Bien que l’univers ait semblé très différent à l’époque, le déclencheur de la formation d’étoiles dans ces galaxies ne l’est pas. »
En étudiant des amas relativement proches, des chercheurs précédents ont également découvert qu’un niveau seuil de désordre dans les gaz chauds est nécessaire pour que la rétroaction des trous noirs supermassifs, sous forme de jets, se produise.
Cette nouvelle étude de l’équipe de Calzadilla a révélé que le seuil d’entropie pour la rétroaction ne s’applique cependant pas aux galaxies situées dans des amas plus éloignés, ce qui pourrait signifier que les amas d’il y a environ dix milliards d’années ne sont pas aussi bien régulés par la rétroaction des trous noirs. Ceci est plausible car il faut du temps pour que le gaz chaud commence à se refroidir sur la galaxie centrale, puis encore plus de temps pour que ce gaz froid se dirige vers le trou noir supermassif de la galaxie centrale et enfin, pour que des jets se forment et empêchent refroidissement supplémentaire du gaz.
Il est également possible, cependant, que les signaux radio ne donnent pas d’indication claire sur l’activité des avions à réaction à ces heures précoces.
Ce résultat est basé sur les données de rayons X de l’observatoire de rayons X Chandra de la NASA ; les données radio du SPT, de l’Australia Telescope Compact Array et de l’Australian SKA Pathfinder Telescope ; données infrarouges du satellite WISE de la NASA ; et plusieurs télescopes optiques. Les télescopes optiques utilisés ici sont les télescopes Magellan de 6,5 m, le télescope Gemini South, le télescope Blanco de 4 m (DECam, MOSAIC-II) et le télescope Swope de 1 m. Au total, près de 50 jours d’observation de Chandra ont été utilisés pour obtenir ce résultat.
Caldazilla a présenté ces résultats lors de la 243e réunion de l’American Astronomical Society à la Nouvelle-Orléans. De plus, il est le premier auteur d’un article soumis au Journal d’astrophysique sur ce travail, qui est disponible sur le serveur de pré-impression arXiv.
Plus d’information:
Michael S. Calzadilla et al, L’enquête spectroscopique SPT-Chandra BCG I : évolution du seuil d’entropie pour le refroidissement et la rétroaction dans les amas de galaxies au cours des 10 derniers Gyr, arXiv (2023). DOI : 10.48550/arxiv.2311.00396