• Judith Biernaux

Une galaxie en forme d'anneau ?

La semaine passée, une équipe menée par l'institut Max Planck (Allemagne) a publié une image surprenante : une galaxie lointaine... en forme d'anneau parfaitement circulaire. Pourquoi une forme si inhabituelle ? Comment est-ce possible ?


Quel phénomène permet d'expliquer la drôle de forme de cette galaxie lointaine ? Image : ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Rizzo et al.

Des mirages dans l'espace


Cette observation a été réalisée avec le réseau d'antennes ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), sur les hauteurs du plateau d'Atacama au Chili. Cet observatoire un peu particulier est constitué de 66 antennes, d'une dizaine de mètres de diamètre chacune. Elles fonctionnent de concert pour former un télescope géant en utilisant la méthode d'interférométrie, qui consiste à créer un grand télescope en associant judicieusement plusieurs petits télescopes. Ou pour être plus exacte ici, des radiotélescopes : ces antennes permettent d'observer, ou plutôt d'écouter l'univers dans les ondes millimétriques, du domaine radio, pour accéder notamment aux objets très distants.


En réalité, cette galaxie est tout à fait normale et en rotation, comme notre voie lactée. Cette image en forme d'anneau est une illusion, appelée mirage gravitationnel. Un peu comme un mirage sur Terre, où l'air chaud déforme des rayons lumineux pour faire apparaître des images fantômes (palmiers dans le désert se reflétant dans un oasis inexistant), un mirage gravitationnel survient lorsque des rayons lumineux nous parviennent déformés, détournés en quelque sorte. La galaxie observée ici, SPT–S J041839–4751.9, surnommée affectueusement SPT0418–47, a ceci de particulier qu'une autre galaxie se trouve pile entre elle et la Terre, en plein sur la ligne de visée. La masse de cette galaxie d'avant-plan déforme la lumière émise par SPT0418–47, qui nous arrive donc complètement chamboulée. Le résultat de ce mirage est un anneau bien circulaire.



Ci-dessus : schéma du phénomène de mirage gravitationnel. Une télescope (à gauche) observe une galaxie lointaine (à droite) avec une autre galaxie, massive, sur la ligne de visée (au centre). La galaxie d'arrière plan apparaît sous forme d'images multiples et/ou déformées. Ci-dessous : deux exemples de mirages gravitationnels. À gauche : la galaxie G2237 + 0305 surnommée la Croix d'Einstein, un mirage quadruple (NASA, ESA, and STScI). À droite : SDSS J120540.43+491029.3, un anneau partiel (NASA, ESA, A. Bolton and the SLACS Team).

Les mirages gravitationnels ne sont en fait pas si rares que ça. Des images plus farfelues les unes que les autres peuvent être observées en fonction de la masse et de la position de la galaxie d'avant-plan, qu'on appelle lentille gravitationnelle. Des images déformées en arc de cercle, des images multipliées qui forment des petites croix ou "trèfles"... Les mirages dans l'espace ne sont pas aussi sournois que les mirages sur Terre : en effet, sans l'effet de mirage, les objets d'arrière-plan pourraient ne jamais être visibles. Ils permettent parfois de les révéler, voire même de les amplifier, un peu comme une loupe naturelle à échelle cosmique.


Dans chaque cas, il est plus ou moins possible de reconstruire l'image de la galaxie déformée, de remonter en quelques sortes le parcours des rayons lumineux avant qu'ils ne se fassent dévier par la lentille. Cette opération repose sur un procédé mathématique complexe : il faut modéliser les galaxies par ordinateur, et tenir compte d'autres obstacles (poussières, gaz...) que les rayons lumineux auraient pu rencontrer en chemin vers le télescope. C'est ce que l'équipe de l'institut Max Planck a mis en place pour obtenir une image reconstruite de la galaxie d'arrière-plan. La vidéo ci-dessous illustre en image la reconstruction obtenue, de l'anneau jusqu'à une galaxie (YouTube / ALMA (NRAO/ESO/NAOJ) / Martin Kornmesser / ESO).



Image reconstruite de SPT0419-47, et vidéo de la reconstruction. Image : Rizzo et al.

La mystérieuse jeunesse de l'univers


SPT0418–47 est une galaxie lointaine, très lointaine... la lumière qu'elle émet prend donc beaucoup de temps pour nous parvenir. Telle que nous la voyons aujourd'hui, elle apparaît comme elle était alors que l'univers n'était qu'à 10% de son âge actuel, soit 1.4 milliards d'années (âge actuel de 14 milliards d'années environ). Il s'agit donc d'un témoignage des plus jeunes années de notre univers. On considère qu'à cette époque, l'univers était un joyeux désordre : les galaxies avaient à peine commencé à exister, et n'étaient encore que des nuages de gaz plutôt chaotiques, désordonnés, théâtre de formation intense d'étoiles.


SPT0418–47 jette cependant le doute sur cette hypothèse. En effet, la reconstruction de l'image montre plutôt une galaxie bien structurée, avec un disque en rotation et un bulbe lumineux au centre, non sans rappeler notre propre Voie Lactée (mais a priori sans les bras spiraux de notre galaxie). SPT0418–47 semble donc très mature pour son âge ! Cela voudrait-il dire que les galaxies ont évolué plus vite qu'on ne le pense avec l'univers ? Que les premières galaxies de l'univers sont rapidement arrivées à maturité ? Une autre galaxie très distante, observée (avec ALMA) telle qu'elle était à une époque reculée, va également dans ce sens.


L'évolution et la formation des galaxies, en particulier les premières d'entre elles, est un procédé encore peu compris, mais qui se révèle petit à petit grâce à l'observation de l'univers lointain. Plus on observe des objets distants, plus ces objets témoignent de la jeunesse de l'univers, et permettent de comprendre les premières étapes de la formation de son contenu. Ces "arrière-grands-mères" de notre galaxie renferment la sagesse et la connaissance, non sans rappeler les grands-parents humains...!


Sources


Vidéo de la reconstruction de SPT0418-47


Rizzo et al., 2020, A dynamically cold disk galaxy in the early Universe, Nature, volume 584, pages 201–204(2020)



Daniel Clery, Astronomers spy a Milky Way–like galaxy in very early universe, Posted in: Space, doi:10.1126/science.abe2811


Communiqué de Presse ALMA / Neeleman et al., A cold, massive, rotating disk galaxy 1.5 billion years after the Big Bang, Nature volume 581, pages269–272(2020)

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