Pour naître, les galaxies ont besoin d'un régime régulier de gaz froids pour subir un effondrement gravitationnel. Plus la galaxie est grande, plus elle a besoin de gaz froid pour se fondre et se développer.
Les galaxies massives trouvées dans l'univers primitif avaient besoin de beaucoup de gaz froid - une réserve totalisant jusqu'à 100 milliards de fois la masse de notre soleil.
Mais où ces premières galaxies de très grande taille ont-elles obtenu autant de gaz froid lorsqu'elles étaient encerclées par un environnement plus chaud?
Dans une nouvelle étude, des astronomes dirigés par l'Université de l'Iowa rapportent des preuves d'observation directes de courants de gaz froid qui, selon eux, ont alimenté ces premières galaxies massives. Ils ont détecté des gazoducs froids qui traversaient l'atmosphère chaude dans le halo de matière noire d'une première galaxie massive, fournissant les matériaux nécessaires à la galaxie pour former des étoiles.
Il y a environ deux décennies, les physiciens travaillant avec des simulations ont émis l'hypothèse qu'au début de l'univers, les filaments cosmiques transportaient du gaz froid et des galaxies embryonnaires en forme de nœud vers un halo de matière noire, où tout s'est aggloméré pour former des galaxies massives. La théorie supposait que les filaments devraient être étroits et densément remplis de gaz froid pour éviter d'être décollés par l'atmosphère environnante plus chaude.
Mais la théorie manquait de preuves directes. Dans cette étude, les scientifiques ont étudié une région gazeuse entourant une galaxie massive formée lorsque l'univers avait environ 2.5 milliards d'années, soit seulement 20% de son âge actuel. La galaxie n'avait pas été étudiée auparavant et il a fallu cinq ans à l'équipe pour déterminer son emplacement exact et sa distance (grâce à son décalage vers le rouge). L'équipe avait besoin d'un observatoire spécialement équipé, l'Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array, car l'environnement de la galaxie cible est si poussiéreux qu'il ne peut être vu que dans la gamme submillimétrique du spectre électromagnétique.
«C'est le prototype, le premier cas où nous avons détecté un flux à l'échelle halo qui alimente une galaxie très massive», explique Hai Fu, professeur agrégé au département de physique et d'astronomie de l'Iowa et responsable de l'étude et auteur correspondant. «Sur la base de nos observations, de tels cours d'eau peuvent remplir le réservoir en environ un milliard d'années, ce qui est beaucoup plus court que le temps dont disposait la galaxie à l'époque que nous observions.
Surtout, les chercheurs ont localisé deux quasars d'arrière-plan qui sont projetés à des distances angulaires proches de la galaxie cible, un peu comme la façon dont le mouvement de Jupiter et de Saturne les a rapprochés lorsqu'ils sont vus de la Terre lors de la Grande Conjonction en décembre dernier. En raison de cette configuration unique, la lumière des quasars pénétrant dans le halo gazeux de la galaxie de premier plan a laissé des «empreintes» chimiques confirmant l'existence d'un étroit flux de gaz froid.
Ces empreintes chimiques ont montré que le gaz dans les courants avait une faible concentration d'éléments lourds tels que l'aluminium, le carbone, le fer et le magnésium. Étant donné que ces éléments se forment lorsque l'étoile brille toujours et sont libérés dans le milieu environnant lorsque l'étoile meurt, les chercheurs ont déterminé que les courants de gaz froids doivent être en provenance de l'extérieur plutôt que d'être expulsés de la galaxie qui fabrique les étoiles elle-même.
«Parmi les 70,000 XNUMX galaxies étoilées de notre étude, c'est la seule associée à deux quasars qui sont tous deux suffisamment proches pour sonder le halo gazeux. Plus encore, les deux quasars sont projetés du même côté de la galaxie afin que leur lumière puisse être bloquée par le même flux à deux distances angulaires différentes. Dit Fu. «Donc, je me sens extrêmement chanceux que la nature
nous a permis de détecter cette artère majeure menant au cœur d'une galaxie phénoménale au cours de son adolescence.
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L'étude, «Un long flux de gaz froid pauvre en métaux autour d'une énorme galaxie en étoile à Z = 2.67», a été publiée en ligne dans le Journal astrophysique 24 février.
Les co-auteurs de l'étude comprennent Rui Xue, qui était chercheur postdoctoral à l'Iowa et qui est maintenant ingénieur en logiciel à l'Observatoire national de radioastronomie; Jason Prochaska de l'Université de Californie, Santa Cruz; Alan Stockton de l'Université d'Hawaï-Honolulu; Sam Ponnada, diplômé de l'Iowa en mai dernier et étudiant diplômé du California Institute of Technology; Marie Wingyee Lau, de l'Université de Californie, Riverside; Asantha Cooray, de l'Université de Californie, Irvine; et Desika Narayanan, de l'Université de Floride.
La National Science Foundation des États-Unis a financé la recherche.
