Cette galaxie est cent fois plus petite que la Voie Lactée, mais elle est étonnamment mature pour une galaxie aussi ancienne. Comme une grande ville, cette galaxie possède une collection dense d'étoiles en son cœur, mais devient moins dense dans les « banlieues » galactiques. Et comme une grande ville, cette galaxie commence à s'étendre, avec une formation d'étoiles qui s'accélère dans les périphéries.
Il s'agit de la première détection d'une croissance galactique inversée. Jusqu'à Webb, il n'avait pas été possible d'étudier la croissance des galaxies aussi tôt dans l'histoire de l'Univers.
Bien que les images obtenues avec Webb représentent un instantané dans le temps, les chercheurs, dirigés par l'Université de Cambridge, affirment que l'étude de galaxies similaires pourrait nous aider à comprendre comment elles passent de nuages de gaz aux structures complexes que nous observons aujourd'hui. Les résultats sont publiés dans la revue Nature Astronomy.
« La question de savoir comment les galaxies évoluent au cours du temps cosmique est une question importante en astrophysique », a déclaré le Dr Sandro Tacchella, co-auteur principal du laboratoire Cavendish de Cambridge.
« Nous avons eu beaucoup de données excellentes pour les dix derniers millions d'années et pour les galaxies de notre coin de l'univers, mais maintenant, avec Webb, nous pouvons obtenir des données d'observation remontant à des milliards d'années dans le temps, sondant le premier milliard d'années de l'histoire cosmique, ce qui ouvre toutes sortes de nouvelles questions. »
Les galaxies que nous observons aujourd'hui se développent selon deux mécanismes principaux : soit elles attirent ou accrètent du gaz pour former de nouvelles étoiles, soit elles se développent en fusionnant avec des galaxies plus petites. La question de savoir si différents mécanismes étaient à l'œuvre dans l' univers primitif est une question ouverte que les astronomes espèrent résoudre avec Webb.
« On s'attend à ce que les galaxies commencent petites lorsque les nuages de gaz s'effondrent sous leur propre gravité, formant des noyaux très denses d'étoiles et peut-être des trous noirs », a déclaré Tacchella.
« À mesure que la galaxie grandit et que la formation d'étoiles s'intensifie, c'est un peu comme un patineur artistique qui tourne : lorsque le patineur rentre ses bras, il prend de l'élan et tourne de plus en plus vite. Les galaxies sont un peu similaires, avec du gaz qui s'accumule plus tard sur des distances de plus en plus grandes et qui fait tourner la galaxie vers le haut, c'est pourquoi elles forment souvent des spirales ou des disques. »
Cette galaxie, observée dans le cadre de la collaboration JADES (JWST Advanced Extragalactic Survey), forme activement des étoiles dans l'univers primitif. Son noyau est très dense, et malgré son âge relativement jeune, sa densité est similaire à celle des galaxies elliptiques massives actuelles, qui comptent 1 000 fois plus d'étoiles. La plupart des étoiles se forment plus loin du noyau, avec un « amas » de formation d'étoiles encore plus éloigné.
L'activité de formation d'étoiles augmente fortement vers les périphéries, à mesure que la formation d'étoiles s'étend et que la galaxie grandit en taille. Ce type de croissance avait été prédit par des modèles théoriques , mais avec Webb, il est désormais possible de l'observer.
« L'une des nombreuses raisons pour lesquelles Webb est si transformateur pour nous, astronomes, est que nous sommes désormais capables d'observer ce qui avait été prédit auparavant grâce à la modélisation », a déclaré William Baker, co-auteur de l'étude et doctorant au Cavendish College. « C'est comme pouvoir vérifier ses devoirs. »
À l’aide de Webb, les chercheurs ont extrait des informations de la lumière émise par la galaxie à différentes longueurs d’onde, qu’ils ont ensuite utilisées pour estimer le nombre d’étoiles plus jeunes par rapport aux étoiles plus âgées, ce qui est converti en une estimation de la masse stellaire et du taux de formation d’étoiles.
La galaxie étant si compacte, les images individuelles de la galaxie ont été « modélisées en avant » pour prendre en compte les effets instrumentaux. En utilisant une modélisation de la population stellaire qui inclut des prescriptions pour l'émission de gaz et l'absorption de poussière, les chercheurs ont trouvé des étoiles plus anciennes dans le noyau, tandis que le disque environnant subit une formation d'étoiles très active.
Cette galaxie double sa masse stellaire dans sa périphérie environ tous les 10 millions d'années, ce qui est très rapide : la Voie Lactée double sa masse seulement tous les 10 milliards d'années.
La densité du noyau galactique, ainsi que le taux élevé de formation d'étoiles , suggèrent que cette jeune galaxie est riche en gaz dont elle a besoin pour former de nouvelles étoiles , ce qui peut refléter des conditions différentes dans l'univers primitif.
« Bien sûr, il ne s’agit que d’une seule galaxie, nous devons donc savoir ce que faisaient les autres galaxies à l’époque », a déclaré Tacchella.
« Est-ce que toutes les galaxies étaient comme celle-ci ? Nous analysons actuellement des données similaires provenant d'autres galaxies. En observant différentes galaxies à travers le temps cosmique, nous pourrions être en mesure de reconstituer le cycle de croissance et de démontrer comment les galaxies grandissent jusqu'à leur taille finale actuelle. »
Plus d'informations : Un noyau dans un disque de formation d'étoiles comme preuve d'une croissance inversée dans l'Univers primitif, Nature Astronomy (2024). DOI : 10.1038/s41550-024-02384-8
Fourni par l'Université de Cambridge