La découverte d’ALMA : les quasars anciens qui étouffent la formation des étoiles

Concept de Flux de Gaz de Quasar en Astrophysique

Des chercheurs ont découvert des preuves de la suppression de la formation d’étoiles dans une galaxie hôte de quasar, causée par l’écoulement de gaz moléculaire. Cette découverte marque une étape significative dans la compréhension de l’évolution des galaxies dans l’Univers primitif.

Les prédictions théoriques ont été confirmées avec la découverte d’un écoulement de gaz moléculaire provenant d’un quasar alors que l’Univers était âgé de moins d’un milliard d’années.

Un quasar est une région compacte alimentée par un trou noir supermassif situé au centre d’une galaxie massive. Ils sont extrêmement lumineux, avec une apparence ponctuelle similaire à des étoiles, et sont extrêmement éloignés de la Terre. En raison de leur distance et de leur luminosité, ils nous donnent un aperçu des conditions de l’Univers primitif, lorsqu’il était âgé de moins d’un milliard d’années.

Découverte majeure dans la recherche sur les quasars

Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur adjoint Dragan Salak à l’Université de Hokkaido, le professeur adjoint Takuya Hashimoto à l’Université de Tsukuba et le professeur Akio Inoue à l’Université de Waseda, a découvert les premières preuves de la suppression de la formation d’étoiles entraînée par un écoulement de gaz moléculaire dans une galaxie hôte de quasar dans l’Univers primitif. Leurs découvertes, basées sur des observations effectuées à l’aide du Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) au Chili, ont été publiées dans The Astrophysical Journal.

Écoulement de Gaz Moléculaire de Quasar

Impression d’artiste d’un écoulement de gaz moléculaire provenant du quasar J2054-0005. Crédit : ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Rôle du Gaz Moléculaire dans les Galaxies

Le gaz moléculaire est vital pour la formation des étoiles. En tant que principal carburant de la formation d’étoiles, l’ubiquité et les hautes concentrations de gaz moléculaire à l’intérieur d’une galaxie mèneraient à la formation d’un grand nombre d’étoiles. En éjectant ce gaz dans l’espace intergalactique plus rapidement qu’il ne pourrait être consommé par la formation d’étoiles, les écoulements moléculaires suppriment efficacement la formation des étoiles dans les galaxies qui hébergent des quasars.

« Les travaux théoriques suggèrent que les écoulements de gaz moléculaires jouent un rôle important dans la formation et l’évolution des galaxies depuis les premiers âges, car ils peuvent réguler la formation d’étoiles », explique Salak. « Les quasars sont des sources particulièrement énergétiques, donc nous nous attendions à ce qu’ils soient capables de générer des écoulements puissants. »

Un groupe d'antennes ALMA 12 m observant le ciel nocturne

Un groupe d’antennes ALMA 12 m observant le ciel nocturne. Les observations de cette étude ont été réalisées à l’aide des antennes 12 m. Crédit : ESO/Y. Beletsky

Découverte des écoulements de gaz moléculaire

Le quasar observé par les chercheurs, J2054-0005, possède un décalage vers le rouge très élevé, ce qui signifie que lui et la Terre s’éloignent apparemment très rapidement l’un de l’autre. « J2054-0005 est l’un des quasars les plus brillants de l’Univers lointain, nous avons donc décidé de cibler cet objet comme un excellent candidat pour étudier des écoulements puissants », déclare Hashimoto. Les chercheurs ont utilisé ALMA pour observer l’écoulement de gaz moléculaire du quasar. Étant le seul télescope au monde ayant la sensibilité et la couverture en fréquence pour détecter les écoulements de gaz moléculaire dans l’Univers primitif, ALMA était essentiel pour cette étude.

En parlant de la méthode utilisée dans l’étude, Salak commente : « Le gaz moléculaire (OH) en écoulement a été découvert en absorption. Cela signifie que nous n’avons pas observé directement le rayonnement micro-ondes provenant des molécules OH ; au lieu de cela, nous avons observé le rayonnement provenant du quasar brillant—et l’absorption signifie que les molécules OH ont absorbé une partie du rayonnement du quasar. C’était donc comme révéler la présence d’un gaz en voyant l’« ombre » qu’il projette devant la source lumineuse. »

Décalage vers le rouge du spectre d'absorption de l'OH dans l'écoulement de gaz moléculaire

L’écoulement de gaz moléculaire du quasar comprend de l’hydroxyle (OH) (en haut). En raison du mouvement du gaz moléculaire vers l’observateur, le pic de l’OH dans le spectre d’absorption (en bas, ligne bleue en pointillés) apparaît à une longueur d’onde plus courte (ligne bleue solide), un phénomène connu sous le nom d’effet Doppler. Crédit : ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) modifié par Dragan Salak, et al. The Astrophysical Journal. 1er février 2024

Implications pour l’évolution des galaxies

Les résultats de cette étude sont les premières preuves solides que des écoulements de gaz moléculaire puissants provenant de galaxies hôtes de quasars existent et impactent l’évolution des galaxies à l’âge cosmique précoce. « Le gaz moléculaire est un constituant très important des galaxies car il est le carburant de la formation d’étoiles », conclut Salak. « Nos découvertes montrent que les quasars sont capables de supprimer la formation d’étoiles dans leurs galaxies hôtes en éjectant du gaz moléculaire dans l’espace intergalactique. »

Référence : « Molecular Outflow in the Reionization-epoch Quasar J2054-0005 Revealed by OH 119 μm Observations » par Dragan Salak, Takuya Hashimoto, Akio K. Inoue, Tom J. L. C. Bakx, Darko Donevski, Yoichi Tamura, Yuma Sugahara, Nario Kuno, Yusuke Miyamoto, Seiji Fujimoto et Suphakorn Suphapolthaworn, 1er février 2024, The Astrophysical Journal.
DOI : 10.3847/1538-4357/ad0df5