Lorsque des concentrations importantes de galaxies de taille similaire se produisent dans l’Univers, elles forment de nouvelles étoiles à partir de l’hydrogène et du gaz d’hélium qu’elles contiennent. Cela peut entraîner une très forte augmentation du taux de formation d'étoiles, similaire à celui observé dans la galaxie voisine Henize 2–10, située à 30 millions d'années-lumière. (RAYONS X (NASA / CXC / VIRGINIE / A.REINES ET AL); RADIO (NRAO / AUI / NSF); OPTIQUE (NASA / STSCI))

Comment était-ce quand les galaxies formaient le plus grand nombre d'étoiles?

Depuis plus de 10 milliards d'années, le taux de formation d'étoiles dans l'univers est en chute libre. Voici l’histoire.

Jetez un coup d’œil à une grande variété de galaxies de l’Univers et vous découvrirez un ensemble d’histoires très différent. Les plus gros sont des elliptiques géants, dont beaucoup n’ont pas formé de nouvelles étoiles au cours de la dernière moitié de notre histoire cosmique. Beaucoup de galaxies spirales ressemblent à notre propre Voie Lactée, avec un petit nombre de régions formant de nouvelles étoiles, mais où la galaxie globale est en grande partie silencieuse. Et quelques galaxies traversent des périodes rapides et intenses de formation d'étoiles, des spirales en interaction jonchées de millions de nouvelles étoiles aux galaxies irrégulières, où toute la galaxie se transforme en une région de formation d'étoiles.

Mais en moyenne, les taux de formation de nouvelles étoiles sont aujourd’hui les plus bas depuis les débuts extrêmes de l’Univers. La majorité des étoiles de l'univers ne s'est formée qu'au cours des premiers 1 à 3 milliards d'années, et le taux de formation d'étoiles a chuté depuis. Voici l'histoire cosmique qui se cache derrière.

Une image composite Hubble / Spitzer de l'amas de galaxies SpARCS1049 + 56 montre comment une fusion riche en gaz (centre) peut déclencher la formation de nouvelles étoiles. (NASA / STSCI / ESA / JPL-CALTECH / MCGILL)

Dans les premiers jours de l'univers, la matière est beaucoup plus dense qu'aujourd'hui. La raison en est très simple: il existe une quantité fixe de matériaux dans l’Univers observable, mais le tissu de l’espace lui-même est en pleine expansion. Vous vous attendriez donc, lorsque l’Univers serait plus jeune, qu’il y aurait plus de formation d’étoiles, car plus de matière se rapprocherait pour former et former des étoiles.

Mais aussi dans les premiers jours, l'Univers était plus uniforme. Au moment du Big Bang, les régions les plus denses ne comptaient qu'environ 0,01% de plus qu'une région moyenne typique. Il faut donc beaucoup de temps pour que ces régions surendens se développent et collectent suffisamment de matière pour former des étoiles, des galaxies, et même des structures plus grandes. Au début, vous avez des facteurs qui agissent à la fois pour vous et contre vous.

Les galaxies qui subissent actuellement des interactions ou des fusions gravitationnelles forment presque toujours aussi de nouvelles étoiles bleues et brillantes. L'effondrement simple est le moyen de former des étoiles au début, mais la plupart de la formation d'étoiles que nous voyons aujourd'hui résulte d'un processus plus violent. Les formes irrégulières ou perturbées de telles galaxies sont la signature essentielle de ce qui se passe. (NASA, ESA, P. OESCH (UNIVERSITE DE GENEVE) ET M. MONTES (UNIVERSITE DE LA NOUVELLE GALLES DU SUD))

La façon dont vous formez les étoiles est assez simple: rassemblez une grande quantité de masse au même endroit, laissez-la refroidir et effondrez-la et créez une nouvelle région de formation d'étoiles. Souvent, un déclencheur externe important, tel que les forces de marée générées par une masse importante à proximité ou des matériaux éjectés rapidement d'une supernova ou une sursaut gamma, peut également provoquer ce type d'effondrement et la formation de nouvelles étoiles.

Nous le voyons dans l’Univers proche, à la fois dans des régions d’une même galaxie, comme la nébuleuse de la Tarentule dans le Grand nuage de Magellan, ainsi qu’à l’échelle de galaxies entières, comme dans Messier 82 (la galaxie du cigare), qui est gravitationnelle. influencé par son voisin, Messier 81.

La galaxie étoilée Messier 82, dont la matière est expulsée comme le montrent les jets rouges, a cette vague de formation d’étoiles actuelle déclenchée par une interaction gravitationnelle proche avec son voisin, la brillante galaxie spirale Messier 81. (NASA, ESA, THE HUBBLE ÉQUIPE DU PATRIMOINE (STSCI / AURA); REMERCIEMENTS: M. MOUNTAIN (STSCI), P. PUXLEY (NSF), J. GALLAGHER (U. WISCONSIN))

Mais le plus grand déclencheur de la formation d’étoiles de tous est ce que les astronomes appellent une fusion majeure. Lorsque deux galaxies comparables se rencontrent et se confondent, une énorme vague de formation d'étoiles peut envelopper toute la galaxie, provoquant ce que nous appelons une explosion d'étoiles. Ce sont les plus grands exemples de formation d'étoiles dans l'univers, et certains d'entre eux se produisent encore aujourd'hui.

Cela signifie-t-il que la formation d'étoiles continue de se produire au même rythme, ou à proximité, qu'à son apogée? À peine. La plupart de ces fusions majeures sont déjà loin dans le rétroviseur de l’histoire de l’Univers. L'expansion de l'univers est un phénomène implacable, tout comme la gravitation. Le problème, c’est qu’une compétition est en cours et que la gravitation a perdu depuis longtemps.

Les destins attendus de l'univers (les trois premières illustrations) correspondent tous à un univers où la matière et l'énergie combattent le taux d'expansion initial. Dans notre univers observé, une accélération cosmique est causée par un type d'énergie sombre, jusqu'ici inexpliqué. Tous ces univers sont régis par les équations de Friedmann, qui relient l'expansion de l'univers aux différents types de matière et d'énergie présents en son sein. (E. SIEGEL / AU-DELÀ DE LA GALAXIE)

Si l’univers était composé à 100% de matière et si le taux d’expansion initial et la densité de matière s’équilibraient parfaitement, nous vivrions dans un univers qui aurait toujours des fusions majeures dans son avenir. Il n'y aurait aucune limite à la taille de la structure à grande échelle qui a formé:

  • les amas d'étoiles se fondraient dans les proto-galaxies,
  • les proto-galaxies se fondraient dans de jeunes et petites galaxies,
  • ces galaxies se fondraient dans les grandes spirales que nous avons aujourd'hui,
  • les spirales se confondent pour former des elliptiques géants,
  • spirales et elliptiques tomberaient en grappes,
  • les clusters entreraient en collision et formeraient des superamas,
  • et les superamas se formeraient ensemble, conduisant à des mégaclusters,

etc. À mesure que le temps passait, il n'y aurait plus de limite à la croissance du Web cosmique.

Le réseau cosmique de matière noire et la structure à grande échelle qu’elle forme. La matière normale est présente, mais ne représente que 1/6 de la matière totale. L'autre 5 / 6ème est de la matière noire, et aucune quantité de matière normale ne pourra s'en débarrasser. S'il n'y avait pas d'énergie noire dans l'Univers, la structure continuerait à grandir et grandir à mesure que le temps passait. (LA SIMULATION DU MILLENIUM, V. SPRINGEL ET AL.)

Malheureusement, pour tous les fans de nouvelles stars, ce n’est pas notre univers. Notre univers contient beaucoup moins de matière que cela, et la majeure partie de la matière que nous avons n’est pas du tout un matériau ne formant pas les étoiles, mais plutôt une forme de matière noire. En outre, la majeure partie de l’énergie de l’Univers se présente sous la forme d’énergie noire, qui ne fait que séparer les structures non liées.

Par conséquent, nous n’avons aucune structure à grande échelle liée au-delà de la taille des amas de galaxies. Bien sûr, certaines amas de galaxies vont fusionner, mais il n’existe pas de superamas; ces structures apparentes ne sont que des fantasmes, à détruire à mesure que l'Univers continue à se développer.

Le superamas de Laniakea, contenant la voie lactée (point rouge), à ​​la périphérie du groupe de la Vierge (grande collection blanche près de la voie lactée). Malgré l’aspect trompeur de l’image, ce n’est pas une structure réelle, car l’énergie sombre chassera la plupart de ces touffes et les fragmentera au fil du temps. (TULLY, R. B., COURTOIS, H., HOFFMAN, Y & POMARÈDE, D. NATURE 513, 71–73 (2014)).

Étant donné l'univers que nous avons, à quoi ressemble donc notre histoire de formation d'étoiles? Les premières étoiles se forment peut-être après 50 à 100 millions d'années, lorsque les nuages ​​moléculaires à petite échelle peuvent accumuler suffisamment de matière pour s'effondrer. À l'époque où l'Univers a environ 200 à 250 millions d'années, les premières amas d'étoiles se sont fusionnés, déclenchant une nouvelle vague de formation d'étoiles et formant les toutes premières galaxies. À l'époque où l'Univers a atteint l'âge de 400 à 500 millions d'années, les plus grandes galaxies ont déjà atteint quelques milliards de masses solaires: environ 1% de la masse de la Voie lactée.

Un peu plus tard, les premières grappes de galaxies commencent à se former, les grandes fusions deviennent communes et la toile cosmique commence à devenir de plus en plus dense. Pendant les deux à trois milliards d'années de l'Univers, le taux de formation d'étoiles ne cesse d'augmenter.

Une pépinière stellaire dans le grand nuage de Magellan, une galaxie satellite de la voie lactée. Ce nouveau signe proche de formation d’étoiles peut sembler omniprésent, mais le taux de formation de nouvelles étoiles dans l’ensemble de l’Univers n’est que de quelques pour cent de ce qu’il était à son point culminant (NASA, ESA ET HUBBLE). ÉQUIPE DU PATRIMOINE (STSCI / AURA) - COLLABORATION ESA / HUBBLE)

Cette hausse, cependant, ne continue pas au-delà de ce point. Après environ 3 milliards d'années, le taux de formation d'étoiles commence à baisser, puis décroît de manière abrupte et continue.

Que se passe-t-il pour causer ça?

Un certain nombre de facteurs, travaillant tous en tandem. Les étoiles se forment (principalement) à l'hydrogène et à l'hélium, qui s'effondrent et allument la fusion nucléaire. Cette fusion augmente la pression interne et permet d'expulser une grande partie du matériau susceptible de former des étoiles. Lorsque les galaxies s'agglomèrent pour former des groupes et des amas, le potentiel de gravitation augmente, mais le milieu intergalactique reçoit également plus de matière. Cela signifie que, lorsque les galaxies défilent dans des régions plus denses de l’espace, une grande partie de ce matériau susceptible de former des étoiles s’enlève.

Une des galaxies les plus rapides de l’Univers, accélérant son amas (et dépouillant de ses gaz) à quelques pour cent de la vitesse de la lumière: des milliers de km / s. Des traînées d'étoiles se forment dans son sillage, tandis que la matière noire continue avec la galaxie d'origine. (NASA, ESA, JEAN-PAUL KNEIB (LABORATOIRE D’ASTROPHYSIQUE DE MARSEILLE) et al.)

En outre, de plus en plus de matériaux trouvés dans ces galaxies sont traités avec le temps: remplis d'éléments de plus en plus lourds. Dans une nouvelle étude réalisée par des scientifiques de UC Riverside, ils ont découvert que plus une galaxie formant des étoiles est ancienne, plus elle forme d'étoiles lentement.

En utilisant certaines de leurs propres grappes SpARCS récemment découvertes, la nouvelle étude menée par UCR a révélé qu'il faut plus de temps à une galaxie pour cesser de former des étoiles lorsque l'univers vieillit: seulement 1,1 milliard d'années lorsque l'Univers était jeune (4 milliards d'années), 1,3 milliards d'années lorsque l'univers est d'âge moyen (6 milliards d'années) et 5 milliards d'années dans l'univers actuel.

En d'autres termes, les nouvelles étoiles se forment à un rythme plus rapide au début et à un taux plus lent aujourd'hui. Ajoutez de l’énergie sombre, ce qui empêche toute structure supplémentaire de se former, et vous avez la recette d’un Univers très silencieux.

Le groupe de Pandore, connu officiellement sous le nom d'Abell 2744, est une fusion cosmique de quatre groupes de galaxies indépendantes, tous réunis sous la force de gravité irrésistible. Des milliers de galaxies peuvent être évidentes ici, mais l'Univers lui-même en contient peut-être deux milliards. (NASA, ESA ET J. LOTZ, M. MOUNTAIN, A. KOEKEMOER ET L’ÉQUIPE HFF)

Mettons tout cela ensemble maintenant. Au début, il y avait beaucoup de matériaux vierges (ou plus vierges), et beaucoup plus de fusions de galaxies de taille comparable se produisaient. Lorsque les grandes galaxies fusionnaient en grappes, elles formaient d'abord des grappes, ce qui signifiait qu'il y avait moins d'effeuillages et plus d'étoiles lorsque les galaxies interagissaient. Et même si les galaxies sont plus grandes aujourd'hui qu'elles ne l'étaient à l'époque, elles étaient encore considérables après quelques milliards d'années et les fusions étaient beaucoup plus courantes.

Au total, selon les études les plus complètes jamais menées à ce jour, le taux de formation d'étoiles a considérablement diminué de 97% depuis son maximum, il y a 11 milliards d'années.

Le taux de formation d'étoiles a atteint son apogée avec l'âge d'environ 2,5 milliards d'années et a diminué depuis. Dans le passé récent, le taux de formation d'étoiles s'est en réalité effondré, ce qui correspond à l'apparition de la domination de l'énergie noire. (D. SOBRAL et al. (2013), MNRAS 428, 2, 1128-1146)

Le taux de formation d'étoiles a diminué lentement et régulièrement pendant quelques milliards d'années, ce qui correspond à une époque où l'Univers était encore dominé par la matière, consistant uniquement en un matériau plus transformé et vieilli. Il y avait moins de fusions par nombre, mais cela a été partiellement compensé par le fait que des structures plus grandes étaient en train de fusionner, conduisant à de plus grandes régions où des étoiles se sont formées.

Mais vers 6 à 8 milliards d’années environ, les effets de l’énergie noire ont commencé à se manifester sur le taux de formation des étoiles, ce qui l’a fait plonger précipitamment. Si nous voulons voir les plus grandes vagues de formation d'étoiles, nous n'avons pas d'autre choix que de regarder au loin. L'Univers ultra-lointain est l'endroit où la formation d'étoiles était à son maximum, pas localement.

La caméra avancée de Hubble pour les enquêtes a identifié un certain nombre de groupes de galaxies ultra-lointaines. Si l’énergie noire est une constante cosmologique, tous ces groupes resteront liés gravitairement, comme tous les groupes de galaxies et groupes de galaxies, mais s’accéléreront progressivement, à mesure que l’énergie noire continuera de dominer l’expansion de l’Univers. Ces groupes ultra-distants affichent des taux de formation d'étoiles bien supérieurs à ceux que nous observons aujourd'hui. (NASA, ESA, J. BLAKESLEE, M. POSTMAN ET G. MILEY / STSCI)

Tant qu'il restera du gaz dans l'univers et que la gravitation demeurera une chose, il sera possible de former de nouvelles étoiles. Lorsque vous prenez un nuage de gaz et que vous le laissez s'effondrer, environ 10% seulement de ce matériau s'enroule dans les étoiles; le reste retourne dans le milieu interstellaire où il aura une autre chance dans un avenir lointain. Bien que le taux de formation d’étoiles se soit effondré depuis les débuts de l’Univers, il ne devrait pas tomber à zéro avant que l’Univers atteigne plusieurs milliers de fois son âge actuel. Nous continuerons à former de nouvelles stars pendant des milliards et des milliards d'années.

Mais même avec tout ce que cela a dit, les nouvelles étoiles sont beaucoup plus rares maintenant qu'elles ne l'ont jamais été dans notre passé depuis que l'Univers était à ses balbutiements. Nous devrions être en mesure de savoir comment la formation d'étoiles a atteint son apogée et quels facteurs ont façonné le taux de formation d'étoiles dans les premiers jours, avec l'avènement du télescope spatial James Webb. Nous savons déjà à quoi ressemble l’Univers et comment il décline aujourd’hui. Le prochain grand pas qui nous attend est d’apprendre à quel point il a grandi de la même manière à chaque étape de notre passé.

Pour en savoir plus sur la nature de l'univers quand:

  • Comment était-ce quand l'Univers gonflait?
  • Comment était-ce quand le Big Bang a commencé?
  • Comment était-ce quand l'Univers était au plus chaud?
  • Comment était-ce quand l'Univers a créé plus de matière que d'antimatière?
  • Comment était-ce quand les Higgs ont donné la masse à l'univers?
  • Comment était-ce la première fois que nous avons fabriqué des protons et des neutrons?
  • Comment était-ce quand nous avons perdu le dernier de notre antimatière?
  • Comment était-ce quand l'Univers a créé ses premiers éléments?
  • Comment était-ce quand l'Univers a créé les atomes?
  • Comment était-ce quand il n'y avait pas d'étoiles dans l'univers?
  • Comment était-ce quand les premières étoiles ont commencé à illuminer l'univers?
  • Comment était-ce quand les premières étoiles sont mortes?
  • Comment était-ce quand l'Univers a créé sa deuxième génération d'étoiles?
  • Comment était-ce quand l'Univers a créé les toutes premières galaxies?
  • Comment était-ce quand la lumière des étoiles a traversé pour la première fois les atomes neutres de l'Univers?
  • Comment était-ce quand les premiers trous noirs supermassifs se sont formés?
  • Comment était-ce quand la vie dans l'univers est devenue possible?

Débute avec un coup est maintenant sur Forbes, et republié sur moyen grâce à nos partisans de Patreon. Ethan est l'auteur de deux livres, Beyond The Galaxy et Treknology: La science de Star Trek, de Tricorders à Warp Drive.