REBELS-25: multi-phase morphology and kinematics at z = 7.31

Aux premiers instants de l'univers, le cosmos était un lieu sombre et informe, rempli uniquement de gaz d'hydrogène et d'hélium. Sur des centaines de millions d'années, la gravité a commencé à attirer ce gaz, allumant les premières étoiles et forgeant les premières galaxies. Pendant longtemps, les astronomes ont cru que ces premières galaxies étaient des lieux chaotiques et désordonnés. La théorie prédominante suggérait que, durant le premier milliard d'années de l'histoire cosmique, les galaxies étaient trop jeunes pour s'être stabilisées en formes ordonnées. On pensait qu'elles étaient des collections turbulentes et instables de gaz et d'étoiles, en collision constante et en plein brassage, dépourvues des disques tournants lisses qui caractérisent les galaxies matures comme notre propre Voie lactée aujourd'hui. Cette vision soutenait qu'il fallait des milliards d'années pour que les galaxies se refroidissent, organisent leur gaz et développent les structures élégantes et rotatives que nous voyons dans l'univers proche.

Cependant, l'arrivée du télescope spatial James Webb et du Grand Réseau millimétrique/submillimétrique de l'Atacama a commencé à réécrire cette chronologie. Ces instruments puissants permettent aux scientifiques de remonter jusqu'à l'époque de la réionisation, une période où l'univers avait moins d'un milliard d'années, et de voir des galaxies qui apparaissent étonnamment matures. La question n'est plus seulement de savoir si ces galaxies anciennes existent, mais comment elles ont réussi à assembler des structures aussi complexes si rapidement. Possèdent-elles réellement les disques calmes et rotatifs des galaxies plus tardives, ou leur ordre apparent est-il une illusion créée par la manière dont nous les observons ? Pour répondre à cela, les chercheurs doivent regarder au-delà de la lumière visible des étoiles et examiner la poussière et le gaz invisibles qui cachent souvent la véritable nature de ces géants cosmiques.

Une équipe d'astronomes a maintenant porté son attention sur une galaxie spécifique nommée REBELS-25, située à un décalage vers le rouge (redshift) de 7,31. Cette distance signifie que la lumière que nous voyons d'elle est partie de la galaxie lorsque l'univers n'avait que 700 millions d'années environ. Des études antérieures avaient déjà laissé entendre que REBELS-25 était un système massif en formation d'étoiles avec une structure rotative, mais ces observations étaient limitées. Pour obtenir une image complète, les chercheurs ont combiné de nouvelles images à haute résolution provenant du Grand Réseau millimétrique/submillimétrique de l'Atacama avec des données du télescope spatial James Webb. Ils ont observé la galaxie à travers un large spectre de lumière, de l'éclat ultraviolet des jeunes étoiles à la chaleur de l'infrarouge lointain rayonnant de la poussière et du gaz. En assemblant ces différentes vues, ils ont créé une carte tridimensionnelle détaillée de la forme de la galaxie, de ses conditions internes et du mouvement de son gaz.

Les résultats ont révélé un contraste frappant entre l'apparence de la galaxie selon les différents types de lumière. Lorsqu'elle est observée en lumière ultraviolette et optique, qui trace les étoiles jeunes et chaudes, REBELS-25 apparaît grumeleuse et irrégulière. Les points les plus brillants sont dispersés à travers la galaxie, certains amas brillants étant situés à environ deux mille années-lumière du centre. Elle semble chaotique, semblable aux systèmes turbulents que les astronomes s'attendaient à trouver à cette époque précoce. Cependant, lorsque les chercheurs ont changé de vue pour passer à l'infrarouge lointain, qui trace la poussière et le gaz froids, le tableau a complètement changé. Dans cette vue, la galaxie n'est pas un amas dispersé, mais un disque tournant et lisse. La poussière et le gaz sont concentrés dans une région centrale, formant un disque exponentiel presque parfait, bien plus ordonné que ce que suggèrent les étoiles éparpillées.

Cette différence spectaculaire d'apparence est causée par la poussière. L'étude a révélé que les régions centrales de la galaxie sont lourdement enveloppées de poussière, ce qui bloque la lumière ultraviolette et optique des étoiles cachées à l'intérieur. Les chercheurs ont calculé que l'obscurcissement par la poussière cache entre 55 et 98 % de la formation stellaire totale de la galaxie. Dans le centre même, là où la poussière est la plus épaisse, la quasi-totalité de la formation d'étoiles est invisible pour les télescopes optiques. Les amas brillants observés dans l'ultraviolet sont probablement juste la partie émergée de l'iceberg, représentant les bords extérieurs moins obscurcis de la galaxie où les étoiles sont visibles. Le véritable cœur de la galaxie, là où l'activité est la plus intense, est caché derrière un épais voile de poussière, visible uniquement grâce aux yeux infrarouges des observatoires.

Malgré l'apparence chaotique des étoiles, le gaz au sein de REBELS-25 raconte une histoire de stabilité remarquable. Les chercheurs ont analysé le mouvement de deux types différents de gaz : le gaz chaud et ionisé qui brille selon une ligne infrarouge spécifique, et le gaz plus froid et neutre qui émet un signal infrarouge différent. Ils ont découvert que les deux types de gaz suivent le même schéma de rotation à grande échelle. Le gaz ne tournoie pas de manière aléatoire ; il tourne en un disque cohérent. Le rapport entre le mouvement de rotation ordonné et le mouvement chaotique aléatoire est très élevé, indiquant que le gaz est « dynamiquement froid ». Cela signifie que la galaxie s'est déjà stabilisée en une structure rotative, défiant l'attente selon laquelle les galaxies à cet âge devraient être turbulentes et désordonnées.

L'étude a également examiné la composition chimique de la galaxie pour voir si les différents amas étaient des systèmes séparés entrant en collision, ou les parties d'une seule et même galaxie unifiée. Ils ont mesuré les ratios de différents éléments chimiques dans le gaz à travers les divers amas. Les résultats ont montré que les conditions chimiques sont globalement similaires partout dans la galaxie. La teneur en métaux, qui indique le nombre d'éléments lourds que la galaxie a produits, est élevée et constante à travers les différentes régions. Cette uniformité suggère que les amas brillants observés dans l'ultraviolet ne sont pas des galaxies séparées en cours de fusion avec des histoires différentes. Au contraire, ils sont probablement des régions de formation d'étoiles enchâssées dans le même disque chimiquement enrichi. La galaxie apparaît comme un système unifié qui a déjà transformé une quantité significative de son gaz en éléments plus lourds, atteignant un niveau de maturité chimique comparable aux galaxies trouvées beaucoup plus tard dans l'univers.

Bien que la galaxie soit largement un disque tournant et lisse, les données montrent aussi des signes de complexité. Il existe des indices de mouvements non circulaires et de structures à petite échelle qui suggèrent que la galaxie n'est pas parfaitement lisse. Il pourrait y avoir une structure de type barre au centre, et le gaz montre certains signes d'inflows (flux entrants) ou d'outflows (flux sortants). Ces caractéristiques indiquent que, bien que la galaxie ait atteint un état stable, elle est toujours en train de s'assembler et d'évoluer. Elle n'est pas un objet statique, mais un système dynamique qui continue de se construire lui-même, tout en maintenant son ordre global.

Les conclusions concernant REBELS-25 remettent en question la vision de longue date selon laquelle l'univers primitif était un lieu de pur chaos. Cette galaxie, existant moins d'un milliard d'années après le Big Bang, est massive, riche en éléments chimiques et dynamiquement froide. Elle possède une structure de disque rotatif qui est étonnamment similaire aux galaxies trouvées des milliards d'années plus tard. L'étude démontre que la poussière joue un rôle crucial en cachant la véritable nature de ces systèmes précoces. Sans regarder à travers la poussière avec des télescopes infrarouges, les astronomes n'auraient vu qu'une collection désordonnée et grumeleuse d'étoiles et auraient manqué l'élégant disque tournant caché en dessous.

Cette recherche souligne l'importance d'observer les galaxies à travers de multiples longueurs d'onde pour comprendre leur véritable nature. Une vue unique peut être trompeuse, cachant l'ordre sous-jacent derrière un voile de poussière ou obscurcissant les détails chaotiques de la formation d'étoiles. En combinant la puissance de différents télescopes, les scientifiques commencent à voir que l'univers s'est peut-être organisé beaucoup plus rapidement qu'on ne le pensait. REBELS-25 témoigne de cette évolution rapide, montrant que même dans les premières époques de l'histoire cosmique, certaines galaxies avaient déjà trouvé leur rythme, tournant calmement dans l'obscurité.