Mystères Galactiques Dévoilés : Les galaxies naines révélées comme des foyers inattendus de formation d’étoiles puissants

Patrick Lesggie

L’astronome de l’Université du Michigan, Sally Oey, a étudié une région de formation d’étoiles dans la galaxie hôte, NGC 2366, qui est une galaxie irrégulière naine typique. Crédit : Observatorio de Calar Alto, J. van Eymeren (AIRUB, ATNF) & Á.R. López-Sánchez

Lorsque l’on contemple les vastes galaxies remplies d’innombrables étoiles, il est facile de croire qu’elles sont des usines à étoiles, produisant d’innombrables boules de gaz brillant. Cependant, les galaxies naines moins évoluées ont des régions de formation stellaire plus importantes, avec des taux plus élevés de formation d’étoiles.

Des découvertes récentes réalisées par des chercheurs de l’Université du Michigan ont mis en lumière ce phénomène : les galaxies naines connaissent un retard d’environ 10 millions d’années avant d’expulser le gaz qui encombre leur espace. Ce délai permet aux régions de formation d’étoiles de ces galaxies de conserver leur gaz et leur poussière plus longtemps, favorisant ainsi la formation et le développement de plus d’étoiles.

Galaxies naines : berceaux de la formation stellaire

Dans ces galaxies naines relativement immaculées, les étoiles massives – des étoiles d’environ 20 à 200 fois la masse de notre soleil – se transforment en trous noirs au lieu d’exploser en supernovae. Mais dans des galaxies plus évoluées et polluées, comme notre Voie lactée, elles ont plus de chances d’exploser, générant ainsi un super-vent collectif. Le gaz et la poussière sont expulsés de la galaxie, et la formation d’étoiles s’arrête rapidement.

Cutout of Mrk 71 A

Le détourage de Mrk 71-A à partir du télescope spatial Hubble, qui est la région démontrant un refroidissement radiatif prononcé (et donc un manque de super-vent). Crédit : Observatorio de Calar Alto, J. van Eymeren (AIRUB, ATNF) & Á.R. López-Sánchez

Ces conclusions ont été publiées dans l’Astrophysical Journal.

« Alors que les étoiles deviennent des supernovae, elles polluent leur environnement en produisant et en libérant des métaux », a déclaré Michelle Jecmen, première auteure de l’étude et chercheuse de premier cycle. « Nous soutenons qu’à faible métallicité – des environnements galactiques relativement non pollués – il y a un délai de 10 millions d’années dans le début des forts super-vents, ce qui, à son tour, aboutit à une formation d’étoiles plus élevée ». 

La fourchette de Hubble et la classification galactique

Les chercheurs de l’UM font référence à ce qu’on appelle la fourchette de Hubble, un diagramme qui montre la façon dont l’astronome Edwin Hubble classait les galaxies. Dans le manche de la fourchette se trouvent les plus grandes galaxies. Énormes, rondes et pleines d’étoiles, ces galaxies ont déjà transformé tout leur gaz en étoiles. Sur les dents de la fourchette sont les galaxies spirales qui ont du gaz et des régions de formation d’étoiles le long de leurs bras compacts. À la fin des dents de la fourchette se trouvent les plus petites galaxies et les moins évoluées.

« Mais ces galaxies naines ont juste ces régions de formation stellaire vraiment énormes, » a déclaré Sally Oey, astronome de l’UM et co-auteur de l’étude. « Il y a eu quelques idées sur la raison de cela, mais les découvertes de Michelle offrent une explication très intéressante : ces galaxies ont du mal à arrêter leur formation d’étoiles parce qu’elles ne chassent pas leur gaz ». 

De plus, cette période de calme de 10 millions d’années offre aux astronomes l’occasion d’observer des scénarios similaires à l’aube cosmique, une période de temps juste après le Big Bang, a déclaré Jecmen. Dans les galaxies naines immaculées, le gaz se regroupe et forme des lacunes à travers lesquelles le rayonnement peut s’échapper. Ce phénomène précédemment connu est appelé le modèle de la « clôture à barreaux », avec le rayonnement ultraviolet s’échappant entre les lattes de la clôture. Le délai explique pourquoi le gaz aurait eu le temps de se regrouper.

Aube cosmique et rayonnement ultraviolet

Le rayonnement ultraviolet est important car il ionise l’hydrogène – un processus qui s’est également produit juste après le Big Bang, provoquant le passage de l’univers de l’opacité à la transparence.

« Ainsi, l’observation de galaxies naines à faible métallicité avec beaucoup de rayonnement ultraviolet est un peu similaire à celle de l’aube cosmique », a déclaré Jecmen. « Comprendre la période près du Big Bang est très intéressant. C’est fondamental pour nos connaissances. C’est quelque chose qui s’est produit il y a si longtemps – c’est tellement fascinant que nous puissions voir des situations un peu similaires dans les galaxies qui existent aujourd’hui ». 

Preuves observationnelles

Une seconde étude, publiée dans les Astrophysical Journal Letters et dirigée par Oey, a utilisé le télescope spatial Hubble pour observer Mrk 71, une région d’une naine galaxie voisine située à environ 10 millions d’années-lumière. Dans Mrk 71, l’équipe a trouvé des preuves observationnelles du scénario de Jecmen. À l’aide d’une nouvelle technique avec le télescope spatial Hubble, l’équipe a utilisé un ensemble de filtres qui examine la lumière du carbone triplement ionisé. 

Dans des galaxies plus évoluées avec de nombreuses explosions de supernovae, ces explosions chauffent le gaz dans un amas d’étoiles à des températures très élevées, à des millions de degrés Kelvin, a déclaré Oey. Au fur et à mesure que ce super-vent chaud s’étend, il chasse le reste du gaz des amas d’étoiles. Mais dans des environnements à faible métallicité tels que Mrk 71, où les étoiles n’explosent pas, l’énergie de la région est rayonnée. Elle n’a pas la chance de former un super-vent.

Les filtres de l’équipe ont capté une lueur diffuse du carbone ionisé dans tout Mrk 71, démontrant que l’énergie se dissipe. Par conséquent, il n’y a pas de super-vent chaud, laissant à la place un gaz dense dans tout l’environnement. 

Oey et Jecmen affirment que leur travail comporte de nombreuses implications.

« Nos découvertes pourraient également être importantes pour expliquer les propriétés des galaxies qui sont actuellement observées à l’aube cosmique par le télescope spatial James Webb », a déclaré Oey. « Je pense que nous sommes encore en train de comprendre les conséquences ». 

Références : « Delayed Massive-star Mechanical Feedback at Low Metallicity » par Michelle C. Jecmen et M. S. Oey, 21 novembre 2023, The Astrophysical Journal.
DOI : 10.3847/1538-4357/ad0460

« Nebular C iv λ1550 Imaging of the Metal-poor Starburst Mrk 71: Direct Evidence of Catastrophic Cooling » par M. S. Oey, Amit N. Sawant, Ashkbiz Danehkar, Sergiy Silich, Linda J. Smith, Jens Melinder, Claus Leitherer, Matthew Hayes, Anne E. Jaskot, Daniela Calzetti, You-Hua Chu, Bethan L. James et Göran Östlin, 21 novembre 2023, The Astrophysical Journal Letters.
DOI : 10.3847/2041-8213/ad07dd