Les scientifiques ont longtemps pensé que seules les galaxies en pleine formation d’étoiles devaient être observées dans l’Univers jeune. Le télescope spatial James Webb révèle aujourd’hui que certaines galaxies ont cessé de former des étoiles plus tôt que prévu. Une récente découverte, réalisée par une équipe internationale dirigée par l’Université de Genève (UNIGE), accentue la tension entre les modèles théoriques de l’évolution cosmique et les observations. Parmi des centaines de spectres obtenus grâce au programme Webb RUBIES, l’équipe a identifié une galaxie record qui avait déjà cessé de former des étoiles à une époque où ces dernières sont normalement en pleine croissance. Cette étude est publiée dans l’Astrophysical Journal.
Dans l’Univers primitif, environ la moitié des galaxies observées ont cessé de former des étoiles: elles sont «éteintes» et ne grandissent plus. Les astronomes les qualifient de galaxies «quiescentes», «quenched» ou encore «rouges et mortes». Elles apparaissent rouges car elles ne contiennent plus d’étoiles jeunes et lumineuses de couleur bleue — seules subsistent des étoiles plus anciennes et plus petites, aux teintes rouges.
Une part importante de galaxies quiescentes se trouve parmi les galaxies massives, souvent observées avec des morphologies elliptiques. La formation de ces galaxies rouges et mortes prend normalement beaucoup de temps, car elles doivent d’abord accumuler un grand nombre d’étoiles avant que le processus de formation stellaire ne s’arrête complètement. La cause exacte du quenching reste une énigme.
«Trouver les premiers exemples de galaxies massives quiescentes (MQG) dans l’Univers primordial est essentiel, car cela éclaire leurs mécanismes de formation possibles», explique Pascal Oesch, professeur associé au Département d’astronomie de la Faculté des sciences de l’UNIGE et co-auteur de l’étude. La quête de ces systèmes est ainsi un objectif majeur des astronomes depuis des années.
Des observations qui défient les modèles
Grâce aux avancées technologiques, notamment la spectroscopie dans le proche infrarouge, les astronomes ont progressivement pu identifier les galaxies quiescentes massives (MQG) à des époques cosmiques de plus en plus reculées. Leur abondance défie les modèles théoriques, qui prévoyaient un temps de formation plus long. Avec le télescope James Webb (JWST), cette contradiction entre théorie et observations s’est intensifiée, plusieurs MQG ayant été confirmées à un redshift de 5, soit 1,2 milliard d’années après le Big Bang — une période relativement courte à l’échelle du temps astronomique. Aujourd’hui, la nouvelle étude dirigée par l’UNIGE révèle qu’elles se sont formées encore plus tôt et plus rapidement.
Dans le Cycle 2 du JWST, le programme à large champ RUBIES (The Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey), l’un des plus grands programmes européens dédiés à la recherche extragalactique avec l’instrument NIRSpec, a obtenu des observations spectroscopiques de plusieurs milliers de galaxies, y compris des centaines de sources nouvellement découvertes grâce aux premières images du JWST.
Le record de la plus lointaine galaxie «éteinte»
Parmi ces nouveaux spectres, les scientifiques ont identifié la galaxie massive quiescente (MQG) la plus distante jamais observée, avec un redshift spectroscopique de 7,29, soit environ 700 millions d’années après le Big Bang. Le spectre obtenu avec NIRSpec/PRISM révèle une population stellaire étonnamment âgée dans un Univers encore jeune.
Une modélisation détaillée du spectre et des données d’imagerie montre que cette galaxie a formé une masse stellaire de plus de 10 milliards (10¹⁰) de masses solaires au cours des 600 premiers millions d’années après le Big Bang, avant de cesser brutalement sa formation d’étoiles, confirmant ainsi son état quiescent.
«La découverte de cette galaxie, nommée RUBIES-UDS-QG-z7, implique que les galaxies massives quiescentes au cours du premier milliard d’années de l’Univers sont plus de 100 fois plus abondantes que ce que prévoient les modèles actuels», explique Andrea Weibel, doctorant au Département d’astronomie de la Faculté des sciences de l’UNIGE et premier auteur de l’étude. Cela suggère que certains facteurs clés des modèles théoriques — comme les effets des vents stellaires ou l’intensité des flux de matière induits par la formation stellaire et les trous noirs massifs — doivent être réévalués.
Nouvelles perspectives sur le coeur des galaxies
Enfin, la taille de RUBIES-UDS-QG-z7 n’est que de 650 années-lumière environ, ce qui implique une densité d’étoiles élevée, comparable aux densités centrales les plus élevées mesurées dans les galaxies quiescentes à des redshifts légèrement inférieurs. Ces galaxies sont susceptibles de devenir les noyaux des galaxies elliptiques les plus anciennes et les plus massives observées dans l’Univers local. «La découverte de RUBIES-UDS-QG-z7 fournit la première preuve solide que les centres de certaines galaxies elliptiques massives proches sont peut-être déjà en place depuis les premières centaines de millions d’années de l’Univers», conclut Anna de Graaff, chercheuse post-doctorante à l’Institut Max Planck d’astronomie de Heidelberg, initiatrice du programme RUBIES et deuxième auteure de l’article.