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Ce point rouge, au centre de l’image est un quasar (source de rayonnement quasi stellaire) situé à 12.8 milliards d’années lumière de la Terre. Cette image la montre donc moins d’un milliard d’années après le Big Bang. Une équipe internationale¹ a réalisé des mesures inattendues : en son centre, 1000 soleils se forment chaque année ! Des résultats stupéfiants qui contredisent la théorie de formation des premières étoiles.

Un téléscope exceptionnel

La galaxie observée par les scientifiques, J1148+5251, est l’une des galaxies actives les plus éloignées de la Terre. Elle est à 12,8 milliards d’années lumière. Pour cartographier une source à une telle distance, le télescope utilisé doit être en mesure de distinguer une pièce d’un euro à 18 kilomètres, ce qui est le cas pour l’interféromètre du Plateau de Bure.

Grâce à l’observatoire de l’Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM)², les astronomes ont détecté dans ce quasar la raie émise par l’atome de carbone dans son état ionisé, ion qui joue un rôle essentiel dans le refroidissement du gaz interstellaire, et donc dans la formation des étoiles. Cette raie, émise dans le domaine infrarouge lointain (à 158 microns), est inobservable du sol ; mais avec l’expansion de l’Univers, elle se trouve « décalée » dans le domaine radio millimétrique (à 1 millimètre) pour cet objet situé aux confins de l’Univers et devient donc observable par les radiotélescopes de l’interféromètre du Plateau de Bure. C’est ainsi que les astronomes ont mis en évidence une immense activité de formation stellaire au coeur de cette galaxie, si élevée qu’elle effleure les limites des lois de la physique.

Comment se forment les étoiles

Des étoiles se forment lorsqu’un nuage interstellaire de gaz et de poussière s’effondre sous sa propre gravité, s’échauffant progressivement. Le rayonnement qui naît de ce processus disperse les nuages de gaz et de poussière et les empêche de s’effondrer à nouveau. Ainsi, le processus de formation d’étoiles se trouve arrêté. Il y a donc une limite d’étoiles naissantes par période et par région de formation stellaire.

Un taux de formation stellaire inouï

« Cette limite est atteinte dans J1148+5251 ! », explique Fabian Walter, chercheur au Max-Planck-Institut für Astronomie à Heidelberg (Allemagne). « Dans notre Galaxie, des conditions aussi extrêmes, comparables à celles de J1148+5251, ne se trouvent que dans de petites régions, comme dans certaines parties de la nébuleuse d’Orion. Mais ce que nous avons observé correspond à la formation de trois soleils par jour, un taux de formation cent millions fois celui d’Orion ! ».

Une région peu étendue

Pour la première fois, les scientifiques ont également réussi à mesurer l’étendue de la région de formation stellaire. Celle-ci n’est que de 5 000 années-lumière, un chiffre relativement faible. « Le résultat est surprenant », constate Fabian Walter. « Dans cette galaxie, les étoiles qui se forment chaque année ont une masse totale de plus de 1 000 fois la masse de notre Soleil, et cela dans une région relativement petite selon les normes astronomiques ». En comparaison, la masse de toutes les étoiles qui naissent dans notre Galaxie ne fait qu’une masse solaire par an.

Au coeur même des jeunes galaxies

Grâce aux mesures récoltées, les scientifiques pourront procéder aux premiers calculs des taux de formations d’étoiles par volume ainsi qu’aux comparaisons avec des modèles de formations stellaires existants. Il y a une autre raison pour laquelle ces mesures se révèlent spectaculaires : l’intense formation stellaire dans une région centrale de la galaxie montre clairement que les étoiles se forment au coeur même des jeunes galaxies. Ce n’est qu’au fil du temps que cette région intérieure se remplit avec de jeunes étoiles et qu’elle atteint la taille habituelle des galaxies plus vieilles – par exemple en entrant en collision ou en fusionnant avec une autre galaxie.

Enjeu : des modèles probants d’évolution

D’une importance cruciale, ces observations permettront aux scientifiques non seulement d’améliorer les savoirs sur l’évolution des galaxies – y compris la nôtre – mais également d’élaborer des modèles probants de cette évolution.
« Le résultat marque une étape décisive dans l’étude des premières galaxies formées dans l’Univers » déclare Pierre Cox, Directeur de l’IRAM et membre de l’équipe internationale. « Il n’a été possible que grâce aux récents développements apportés à l’interféromètre du Plateau de Bure. Il préfigure d’autres observations d’objets aux confins de l’Univers qui permettront de mieux comprendre comment les galaxies se sont formées, de décrire leurs conditions apparemment extrêmes de formation stellaire ainsi que la relation entre la formation des étoiles et celle du trou noir massif central. ».

Source : Centre National de la Recherche Scientifique / Institut Natonal des Sciences de l’Univers (Insu)

Lire le communiqué sur le site de l’Insu/CNRS

Référence :
« A Kiloparsec-Scale Hyper-Starburst in a Quasar Host Less than 1 Gigayear after the Big Bang », par F. Walter, D.Riechers, P. Cox, R. Neri, C. Carilli, F. Bertoldi, A. Weiss, R. Maiolino

Ces résultats sont publiés dans le journal Nature du 05 février 2009.

1 Font partie de cette équipe :
- Fabian Walter du Max-Planck-Institut für Astronomie à Heidelberg (Allemagne) ;
- Dominik Riechers du Max-Planck-Institut für Astronomie à Heidelberg (Allemagne) et du California Institute of Technology à Pasadena (Etats-Unis) ;
- Pierre Cox et Roberto Neri de l’Institut de Radioastronomie Millimétrique à Grenoble (France) ;
- Chris Carilli du National Radio Astronomy Observatory à Socorro (Etats-Unis) ;
- Frank Bertoldi de l’Argelander Institut für Astronomie à Bonn (Allemagne) ;
- Axel Weiss du Max-Planck-Institut für Radioastronomie à Bonn (Allemagne) ;
- Roberto Maiolino de l’Istituto Nazionale di Astrofisica, Osservatorio à Rome (Italie)

2 L’Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) a été fondé par le Centre National de la Recherche Scientifique en France et la Max-Planck-Gesellschaft en Allemagne, rejoints par l’Instituto Geográfico Nacional en Espagne. Son siège social est à Grenoble, un radiotélescope de 30 m de diamètre au Pico Veleta en Espagne, un interféromètre de 6 antennes de 15 m de diamètre sur le Plateau de Bure dans les Hautes-Alpes françaises.