13/12/2012 - L'évolution chimique de l'univers au cours des dix derniers milliards d'années est éclaircie

Menéame

Une étude conduite par le Institut d’astrophysique d’Andalousie (IAA-CSIC), analyse 20 000 galaxies dans l’échantillonnage ZCOSMOS. Il conclut que les galaxies les plus éloignées ont moins d’éléments lourds que ceux de l’univers local, ce qui confirme le modèle hiérarchique de formation des galaxies.

Il y a un énorme fossé entre la composition chimique de l’univers primigénien, pratiquement constitué par hydrogène (93%) et hélium (7%) et la composition actuelle, avec des proportions variables d’une longue liste d’éléments (carbone, oxygène, fer, azote...). L’étude de l’évolution chimique des galaxies est essentielle à la compréhension de l’histoire de l’univers, et une étude récente conduite par Enrique Pérez Montero (IAA-CSIC) a dégagé des doutes à ce sujet: les galaxies les plus éloignées - et donc plus jeunes - ont moins d’éléments lourds que celles de l’univers local, confirmant ainsi le modèle qui affirme que les grandes galaxies ont été formées à partir de la fusion d’autres plus petites.

Ce sont les étoiles qui, par les réactions nucléaires qui se produisent dans leur centre, ont opéré le changement et augmenté la proportion de métaux (en astrophysique, les éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium). "C’est comme une usine, un énorme four dans lequel l’hydrogène donne lieu à des éléments plus lourds, qui sont libérés au milieu par des vents et d’expulsion de matériel dans les explosions de supernova," note Enrique Pérez Montero, chercheur à l’Institut d’astrophysique d’Andalousie (IAA-CSIC).

TÉORITÉS EN DISCREPANCE

L’évolution chimique des galaxies est étudiée à travers ce qu’on appelle la " relation masse métallicité ," qui analyse la proportion d’éléments lourds contenant une galaxie par rapport à la masse totale des étoiles qu’elle présente. Cette relation est bien établie dans l’univers local: on sait que les galaxies naines sont moins métalliques que les grandes. " La question était de savoir si cette relation a été la même au cours de toutes les étapes cosmologiques ou si elle a connu une évolution. Ils ont commencé à mesurer et on a observé que les galaxies dans les jeunes âges de l’univers avaient tendance à avoir moins de contenu en métaux," note Enrique Pérez Montero (IAA-CSIC).

Cependant, en 2010, une étude a démenti ces résultats en faisant allusion à un biais sélectif lié au taux de formation stellaire des galaxies, ou le nombre d’étoiles par unité de temps qu’ils sont capables de former. Un taux élevé de formation stellaire s’accompagne souvent d’une métallisation moindre, car dans de nombreuses galaxies, la formation steiler est déclenchée par la capture de gaz faiblement traité, ce qui réduit la proportion totale d’éléments complexes.

Étant donné que les galaxies avec des poussées de formation stellaire sont les plus brillantes et donc les plus facilement détectables sur de longues distances, les chercheurs ont conclu que la teneur en métaux est restée constante tout au long de l’histoire cosmologique et que ce qui avait été interprété comme évolution était un effet de sélection.

L’ÉVOLUTION EST CONfirmÉE

Mais l’article de Pérez Montero et ses collaborateurs réfute cette déduction. D’une part, il calcule et corrige le taux de formation stellaire afin d’éviter les biais; d’autre part, au lieu de se conformer uniquement à la teneur en oxygène, qui est habituellement employé et qui dépend de la formation stelaire, il étudie le rapport entre azote et oxygène - indépendant du taux de formation stellaire - pour déterminer la quantité de métaux dans les vingt mille galaxies de l’échantillonnage zCOSMOS (l’un des plus profonds et complets à ce jour), réalisé par une grande collaboration internationale à partir de données prises avec l’un des télescopes VLT de la Observatoire européen austral (ESO) situés au Chili.

"Avec ce prélèvement, nous mesurons la métallicité au cours des dix derniers milliards d’années, quelque chose jamais réalisé auparavant, et nous confirmons que lorsque l’univers était plus jeune, le rapport masse métallicité était plus plat: c’est-à-dire les grandes et les petites avaient une proportion de métaux similaire, contrairement à ce qui se passe dans l’univers local," conclut Pérez Montero (IAA-CSIC). 

L’évolution de la relation masse métallicité est une preuve du modèle hiérarchique de formation de galaxies, qui soutient que dans l’univers primitif les grandes galaxies étaient formées comme fusion de petites galaxies. La fusion de deux petites galaxies à basse métallicité entraîne une galaxie avec deux fois plus de masse stellaire mais avec la métallicité des petites; bien que la fusion déclenche le taux de formation stellaire, il faut du temps avant que les étoiles produisent des métaux, les libèrent et dotent la galaxie de la métallisation qui lui correspond pour sa masse.

"Le fait que le rapport masse métallicité soit plus plat dans l’univers plus jeune indique que les fusions étaient plus fréquentes dans l’Univers primigénien et cela confirme le modèle hiérarchique. Si les galaxies avaient été formées de façon isolée, le rapport masse métallicité serait le même à n’importe quelle époque que vous regarderiez" conclut Pérez Montero (IAA-CSIC).

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Référence:

E. Pérez-Montero et al. The cosmic evolution of oxygen and nitrogen abundances in star- Forming galaxies over the past 10 Gyr. Astronomy & Astrophysics(en prensa) http://arxiv.org/abs/1210.0334 "

Contact:

Institut d’astrophysique d’Andalousie (IAA-CSIC)

Unité de la communication et de la communication

Silbia López de Lacalle - sll[arroba]iaa.es - 958230532

http://www.iaa.es
http://www-divulgacion.iaa.es

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