Un immense réservoir de « carburant stellaire » découvert dans l'une des plus anciennes galaxies de l'Univers

L'Univers était encore très jeune — à peine 700 millions d'années après le Big Bang, soit environ 5 % de son âge actuel — que des galaxies capables de croître rapidement et de former des étoiles existaient déjà. Une équipe internationale d'astronomes a pu observer directement, pour la première fois, la composition du « carburant » alimentant ce processus grâce à deux puissants radiotélescopes. Publiés dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, ces résultats offrent un regard nouveau sur la formation des premières grandes galaxies.

L'étude porte sur la galaxie REBELS-25, observée à un décalage vers le rouge (redshift) de z=7,3. Elle se situe dans l'ère de la réionisation, cette période où les premières générations d'étoiles et de galaxies transformaient progressivement le cosmos en ionisant l'hydrogène neutre environnant. Les astronomes soupçonnaient jusqu'ici que ces objets massifs et précoces devaient disposer de vastes réserves de gaz moléculaire froid, matière première indispensable à la naissance des étoiles. Toutefois, les preuves directes manquaient cruellement : les signaux sont trop ténus et le fond diffus cosmologique complique les observations à de telles distances.

Des observations réalisées au Very Large Array (VLA) au Nouveau-Mexique et à l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) au Chili ont joué un rôle déterminant. Le VLA a permis de capter le faible rayonnement du monoxyde de carbone (CO), un indicateur fiable de la présence de gaz froid. Il s'agit de la détection de ce type la plus lointaine réalisée à ce jour. ALMA a complété ce tableau en permettant d'estimer la température, la densité et la distribution du gaz. Il s'avère que REBELS-25 contient environ cent milliards de masses solaires de gaz moléculaire froid, représentant près de 95 % de toute la matière ordinaire (baryonique) de la galaxie. À titre de comparaison, le nombre d'étoiles déjà formées y est nettement inférieur.

La maturité de cette galaxie est frappante. De précédentes recherches avaient déjà révélé la présence d'un disque en rotation, d'une grande quantité de poussière et d'une teneur relativement élevée en éléments lourds. Un immense réservoir de gaz vient désormais s'ajouter à cette liste. « Nos résultats démontrent que seulement 700 millions d'années après le Big Bang, les galaxies disposaient de stocks de gaz froid considérables pour engendrer de nouvelles étoiles », souligne Karin Cescon, de l'Université de Leyde, auteure principale de l'étude.

L'astronome chilien Manuel Aravena, du Centro de Astrofísica y Tecnologías Afines et de l'Universidad Diego Portales, a également participé à ces travaux. Selon lui, de telles découvertes aident à comprendre comment certains systèmes de l'Univers primitif ont pu accumuler de la matière aussi rapidement. Ce cas n'est pas forcément représentatif de toutes les galaxies, REBELS-25 pouvant être une exception éclatante, mais les chercheurs disposent désormais de l'outil nécessaire pour vérifier la fréquence de ces réservoirs.

Cette découverte marque une étape cruciale dans l'exploration de l'« aube cosmique ». De futurs instruments plus sensibles, comme le Next Generation VLA, permettront d'observer le gaz froid dans un plus grand nombre de galaxies primitives. Pour l'heure, nous constatons que même dans un cosmos balbutiant, les conditions étaient déjà réunies pour la croissance fulgurante des structures qui allaient devenir les piliers de notre univers actuel. C'est un rappel de la nature dynamique et surprenante de l'Univers primordial.