Des observations du VLT et de Hubble indiquent que la formation d'étoiles prend fin, en tout premier lieu, au centre des galaxies elliptiques

Des astronomes ont pour la première fois mis en évidence la cessation progressive de la formation d'étoiles au sein de galaxies, voici des milliards d'années. Des observations effectuées au moyen du Très Grand Télescope de l'ESO et du Télescope Spatial Hubble du consortium NASA/ESA ont révélé que trois milliards d'années après le Big Bang ces galaxies continuaient de donner naissance à des étoiles en leur périphérie, mais plus en leur sein. Le processus de formation stellaire semble avoir pris fin au cœur même des galaxies, puis s'être propagé à leurs périphéries. Les résultats de cette étude paraîtront dans l'édition du 17 avril 2015 de la revue Science.


Le diagramme ci-dessus illustre ce processus. Les galaxies de l'Univers jeune figurent sur la partie gauche. Les régions de couleur bleue sont celles de formation d'étoiles. Les régions de couleur rouge n'abritent en revanche que de vieilles étoiles rougeoyantes ; ces zones "passives" sont totalement dépourvues de jeunes étoiles bleues en cours de formation. Les galaxies géantes de type sphéroïdal qui en résultent et qui peuplent l'Univers actuel figurent sur la partie droite du diagramme.

La façon dont les galaxies elliptiques, inertes et massives à la fois, et largement répandues dans l'Univers actuel ont cessé de produire des étoiles à un rythme effréné, constitue l'une des questions majeures de l'astrophysique moderne. Typiquement, ces énormes galaxies, souvent nommées sphéroïdes en raison de la forme qu'elles arborent, affichent une densité d'étoiles dix fois plus élevée que les régions centrales de notre galaxie, la Voie Lactée, et une masse quelque dix fois supérieure.

Parce qu'elles présentent une forte abondance en vieilles étoiles rouges, sont dépourvues de jeunes étoiles bleues et ne manifestent aucun signe de formation de nouvelles étoiles, les astronomes qualifient ces énormes galaxies de rouges et passives. L'âge estimé des vieilles étoiles rouges suggère que leurs galaxies hôtes ont cessé de produire de nouvelles étoiles voici 10 milliards d'années. Cet arrêt brutal coïncida avec le pic de formation stellaire dans l'Univers. A cette époque, la plupart des galaxies générait encore des étoiles à un rythme environ 20 fois supérieur au rythme actuel.

“Les sphéroïdes massives et passives renferment la presque moitié des étoiles conçues par l'Univers au cours de son existence” précise Sandro Tacchella de l'ETH de Zurich en Suisse, auteur principal de cette étude. “Nous ne pourrons nous targuer de comprendre l'évolution de l'Univers vers son stade actuel que lorsque nous connaîtrons la dynamique de ces galaxies”.



Les observations de Sandro Tacchella et ses collègues ont porté sur un échantillon de 22 galaxies de masses différentes, datées d'une époque postérieure de quelque trois milliards d'années au Big Bang (1). L'instrument SINFONI qui équipe le Très Grand Télescope (VLT) de l'ESO a collecté la lumière en provenance de ces objets et précisément localisé les sites de formation de nouvelles étoiles. L'obtention de mesures aussi précises sur des galaxies lointaines est possible grâce au système d'optique adaptative qui permet de s'affranchir presque totalement des effets de flou produits par l'atmosphère terrestre.

Les chercheurs ont également utilisé le Télescope Spatial Hubble du consortium NASA/ESA pour étudier ce même échantillon de galaxies. Parce qu'il se situe en orbite autour de la Terre, ce télescope peut produire des images totalement dénuées des effets de la distorsion atmosphérique, et en acquérir dans d'autres domaines de longueur d'onde. Ainsi la caméra WFC3 a capturé des images dans le proche infrarouge qui révèlent la distribution spatiale des étoiles les plus âgées au sein des galaxies donnant activement naissance à de nouvelles étoiles.

“Le système d'optique adaptative qui équipe SINFONI est capable de réduire considérablement les effets de l'atmosphère et de localiser les cocons d'étoiles avec une précision voisine de celle qui caractérise les distributions de masse stellaire repérées par Hubble. Cela est tout simplement prodigieux”, commente Marcella Carollo de l'ETH de Zurich et co-auteur de l'article.

Au vu des données nouvellement acquises, il apparaît que les galaxies les plus massives de l'échantillon ont continué de produire, à un rythme constant, des étoiles en leur périphérie. En leur centre toutefois, dans ce bulbe densément peuplé, la formation de nouvelles étoiles s'est déjà arrêtée.



“La preuve de la cessation progressive de la formation d'étoiles, depuis le centre vers la périphérie des galaxies massives, devrait éclairer les astronomes sur les processus sous-jacents impliqués, sujet dont ils débattent depuis fort longtemps” ajoute Alvio Renzini de l'Observatoire de Padoue, Institut National Italien d'Astrophysique.

Une théorie prépondérante stipule que la matière première des étoiles se trouve dispersée par des torrents d'énergie libérés par un trou noir supermassif située au cœur de la galaxie, à mesure que ce dernier engloutit la matière constituant son environnement proche. Une autre théorie envisage la possibilité que la galaxie ne soit plus alimentée en gaz frais, la privant du carburant nécessaire à former de nouvelles étoiles et la transformant progressivement en une sphéroïde rouge et inerte.

“De nombreuses théories traitent des mécanismes physiques potentiellement impliqués dans le lent déclin des sphéroïdes massives” précise Natascha Förster Schreiber de l'Institut Max-Planck dédié à la Physique Extraterrestre à Garching en Allemagne, co-auteur de l'étude. “La découverte de la cessation progressive de la formation stellaire du centre vers la périphérie constitue un progrès important dans notre compréhension de l'évolution de l'Univers jusqu'à son stade actuel.”