Une équipe internationale a réalisé avec le VLT une étude approfondie sur la croissance des jeunes galaxies, mettant en évidence le changement de leurs habitudes alimentaires durant une période comprise entre 3 et 5 milliards d'années après le Big Bang. Au début de cette période les jeunes galaxies augmentent leur nombre d'étoile en se nourrissant essentiellement de flux de gaz lents mais au fur et à mesure qu'elle grandissent, elles cannibalisent d'autres galaxies plus petites.

Cette vue profonde prise par le télescope CFHT (Hawaï) d'un petit pan de ciel dans la constellation de la Baleine montre une sélection de galaxies utilisée dans le cadre d'une nouvelle étude (MASSIV) portant sur les comportements alimentaires des jeunes galaxies. Chacune des taches minuscules correspond à une galaxie telle qu'elle était entre 3 et 5 milliards d'années après le Big Bang. Chacune de ces galaxies a fait l'objet d'une étude détaillée à l'aide du VLT de l'ESO et de l'instrument SINFONI. Les cartes de couleurs montrent les mouvements du gaz dans les galaxies. Le bleu indique que le gaz se déplace vers nous, comparé à la galaxie dans son ensemble, et le rouge indique que le gaz s'éloigne de nous. Ces couleurs permettent aux astronomes de voir si les galaxies tournent comme un disque ou si elles ont d'autres comportements.

Crédits image : ESO/ CFHT.

 Les galaxies primordiales qui se sont formées dans les premiers milliards d'années après le Big Bang étaient bien plus petites que les grandes galaxies spirales et elliptiques qui peuplent notre Univers actuel. Au fil du temps cosmique, les galaxies ont considérablement augmenté leur masse mais les astronomes ne connaissent pas les causes exactes de cette "prise de poids".

C'est pourquoi une équipe internationale d'astronomes, dirigée par le français Thierry Contini de l'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP) de Toulouse, a exécuté une nouvelle étude baptisée MASSIV (Mass Assembly Survey with SINFONI in VVDS) sur un échantillon de galaxies "adolescentes" âgées de 3 à 5 milliards d'années afin de tenter de répondre à cette question.

Le spectrographe dans le proche infrarouge SINFONI est attaché au foyer du télescope Cassegrain Yepun de 8,2 m du VLT. Cette photographie a été prise au moment de l'équilibrage et des essais de flexion sur la structure. Crédit image : ESO.

En utilisant la puissance du Very Large Telescope de l'ESO pendant une centaine d'heures d'observation, l'équipe a collecté l'échantillon le plus complet et détaillé à ce jour de galaxies riches en gaz à ce stade précoce de leur développement. "Deux scénarios de croissance des galaxies s'opposent actuellement : 

1er) De violents processus de fusion lorsque des galaxies massives avalent de plus petites ou 

2ème) Un flux de gaz lent et continu avalé par les galaxies." 

"Ces deux scénarios peuvent conduire à la formation de nombreuses nouvelles étoiles" explique le scientifique français Thierry Contini de l'IRAP de Toulouse.

 "Pour comprendre les mécanismes de croissance et d'évolution des galaxies, nous devons les observer de la façon la plus détaillée possible. Le spectrographe dans le proche infrarouge SINFONI (Spectrograph for INtegral Field Observations in the Near Infrared) installé sur le VLT est l'un des outils les plus puissants au monde permettant de disséquer les galaxies jeunes et lointaines. Il est l'équivalent du microscope des biologistes" ajoute Thierry Contini.

Les galaxies lointaines observées dans le cadre de cette étude apparaissent telles de pâles et minuscules taches dans le ciel. La grande qualité d'image obtenue à l'aide de l'instrument SINFONI et de son optique adaptative a permis aux astronomes de cartographier le contenu et les mouvements des différentes parties des galaxies. Crédits image : ESO / CFHT.

Certaines de ces images ont révélé quelques surprises :

"A mes yeux, la plus grande surprise fut la découverte de l'absence de rotation du gaz contenu dans de nombreuses galaxies. De telles galaxies n'ont jamais été observées dans l'Univers proche. Aucune des théories actuelles ne prédit cela" déclare Benoît Epinat du Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM), un autre membre de l'équipe.

"Nous ne nous attendions pas non plus à ce que tant de jeunes galaxies de notre échantillon montrent une aussi forte concentration d'éléments lourds dans leur périphérie". C'est exactement l'inverse de ce que nous observons dans les galaxies actuelles", ajoute Thierry Contini.

L'équipe vient tout juste de commencer à explorer leur riche série de données d'observations. Elle envisage également d'observer les galaxies à l'aide d'instruments qui seront prochainement installés sur le VLT, et d'utiliser le réseau d'antennes ALMA pour étudier le gaz froid présent dans ces galaxies. A la fin de la prochaine décennie, le télescope géant Européen (E-ELT) sera équipé d'instruments permettant l'extension de ce type d'études plus profondément dans l'Univers primordial.

En conclusion les premiers résultats de l'étude MASSIV plaident plutôt en faveur d'un changement majeur dans l'évolution cosmique des galaxies, lorsque l'Univers était âgé de 3 à 5 milliards d'années. Les lents flux de gaz semblent avoir joué un rôle important dans la formation des galaxies de l'Univers jeune, puis ce fut au tour des processus de fusion entre galaxies. A suivre...