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Le premier ensemble d’images et de données obtenues par le télescope spatial James Webb, publié par la NASA en juillet 2022, nous a rappelé à tous à quel point nous en savons peu sur le cosmos. Ce télescope ultramoderne, d’une valeur de 10 milliards de dollars, permet désormais aux scientifiques d’observer des galaxies bien plus lointaines. Ce faisant, ils sont également en mesure de comparer ces galaxies les plus pâles et les plus anciennes aux elliptiques géantes d’aujourd’hui, qui recèlent, elles aussi, de nombreux secrets.
Sune Toft, professeur de cosmologie et d’astrophysique extragalactique à l’Institut Niels Bohr, ne connaît que trop bien la nécessité de mieux comprendre les galaxies elliptiques en s’intéressant à leurs origines dans l’univers primitif. Dans le cadre de son projet ConTExt, il étudie la genèse des elliptiques massives afin de déterminer si les phénomènes galactiques les plus extrêmes observés par les scientifiques constituent, de fait, différentes phases de l’évolution d’une galaxie massive.
Contrairement à la Voie lactée, où se forment continuellement de nouvelles étoiles, les galaxies elliptiques sont mortes et ont cessé de donner naissance à des étoiles il y a des milliards d’années. «Les galaxies elliptiques sont les plus massives, ce sont celles qui contiennent le plus d’étoiles. Elles se situent dans des amas de galaxies où les plus grandes concentrations de matière noire de l’univers maintiennent des centaines d’entre elles gravitationnellement liées», explique Sune Toft. «Malgré leur prédominance, nous ne comprenons pas encore complètement leur origine cosmique. Cela constitue un défi majeur pour l’astronomie.»
Pour tester sa théorie, Sune Toft a décidé de remettre en question l’opinion commune selon laquelle de nombreux types différents de galaxies extrêmes sont en fait des galaxies elliptiques en phase de développement précoce. Il explique: «Je voulais établir, à l’aide de statistiques solides et de propriétés physiques mesurées avec précision, que les galaxies poussiéreuses de type galaxie à sursauts de formation d’étoiles étaient les génitrices directes de certaines des plus anciennes galaxies elliptiques que nous connaissons.»
Les galaxies à sursauts de formation d’étoiles sont particulières, car elles présentent un taux de formation d’étoiles exceptionnellement élevé. Pendant cinq ans, Sune Toft a mené des observations de ces galaxies à différentes longueurs d’onde, allant de la radio, du submillimétrique et de l’infrarouge à l’optique. Il a analysé des études statistiques sur des millions de galaxies ainsi que des recherches approfondies sur des galaxies spécifiques. Et ses découvertes ont un impact énorme sur la communauté scientifique.
Grâce à ConTExt, on sait désormais que les flambées d’étoiles sont à l’origine de la plupart des galaxies massives, mais elles ne sont pas déclenchées par des fusions majeures comme celles que les scientifiques ont pu observer dans l’univers local. Elles impliquent au contraire des fusions mineures et des disques de gaz réguliers. Sune Toft et son équipe ont également trouvé des exemples de galaxies quiescentes à z=2 avec des disques à rotation rapide, ce qui est cohérent avec le modèle proposé.
Inspirer de nouvelles recherches
Le modèle de l’évolution des galaxies massives de ConTExt est désormais largement accepté, car de nombreux groupes de scientifiques différents ont obtenu des résultats similaires à ceux de Sune Toft. De nouvelles générations de relevés astronomiques s’appuyant sur ALMA (le plus grand télescope du monde) et le télescope spatial James Webb visent à approfondir davantage le modèle.
«Mon projet montre que les plus grandes galaxies elliptiques peuvent être retracées jusqu’à moins d’un milliard d’années après le Big Bang, époque où elles se sont formées au cours d’énigmatiques sursauts de formation d’étoiles. Ceci a été établi grâce à des études détaillées de la structure, de la morphologie, de la dynamique, des propriétés de formation d’étoiles, du contenu en gaz et d’autres caractéristiques de différentes populations de galaxies», ajoute Sune Toft.
Le projet ConTExt a également ouvert la voie à la création d’un important centre d’excellence appelé le Cosmic Dawn Center au sein de l’Institut Niels Bohr et de DTU Space au Danemark. Comme le souligne Sune Toft: «La mission principale du centre est de faire remonter les études sur les galaxies jusqu’à l’époque de l’aube cosmique, lorsque les toutes premières étoiles, galaxies et trous noirs se sont formés. Le modèle ConTExt pourrait encore être pertinent ici, car les galaxies les plus massives se forment dans les plus fortes densités de distributions de matière noire sous-jacentes, qui sont les premières à s’effondrer.»