Deux études, dont les résultats intitulés «Planck’s dusty GEMSV. Molecular wind and clump stability in a strongly lensed star-forming galaxy at z = 2.2» et «Planck’s dusty GEMS VI. Multi-J CO excitation and interstellar medium conditions in dusty starburst galaxies at z = 2–4» sont publiés dans la revue Astronomy and Astrophysics, montrent que les régions de formation d'étoiles les plus intenses de l'Univers jeune interagissent fortement avec leur environnement en échangeant rapidement d’énormes quantités de gaz. Ces travaux apportent ainsi un nouvel indice pour comprendre comment ces galaxies massives ont pu croître si vite, il y a environ 11 milliards d’années.

Rappelons tout d'abord que «les galaxies les plus massives ont connu leur phase de croissance la plus rapide lorsque l’Univers avait environ 20% de son âge actuel»: concrètement, «les immenses quantités de poussière et de gaz ont alors donné lieu à de véritables feux d'artifice de formation d'étoiles, environ cent fois plus rapides que dans la Voie Lactée». Ces étoiles «se sont principalement formées au sein de régions gazeuses, compactes et très massives, et dont les interactions avec les galaxies hôtes restent peu explorées».

Dans ce contexte, la première étude ici présentée a mis en évidence, «en utilisant les deux radiotélescopes de l'IRAM, l'observatoire NOEMA situé dans les Alpes (France) et le télescope de 30 mètres de Pico Veleta (Espagne)», que «ces pouponnières d'étoiles ne sont pas isolées, mais échangent constamment du gaz avec le milieu interstellaire environnant». En fait, c'est la première fois que «du gaz moléculaire éjecté d'une de ces pouponnières, et produisant un vent galactique pouvant évacuer la majorité du gaz de cette région en seulement quelques millions d'années» est observé.

Ce vent a été découvert «dans une galaxie récemment identifiée et surnommée 'l'Emeraude', environ 3 milliards d'années après le Big Bang, en analysant la raie d'émission du monoxyde de carbone». Cette observation «a été possible grâce à l’effet grossissant de 'lentille gravitationnelle', dû à la présence d’un amas de galaxies situé entre la Terre et l'Emeraude». De la sorte, «la formation des étoiles dans l'Emeraude sur des échelles de quelques centaines d'années-lumière, habituellement accessibles uniquement pour les galaxies proches» a pu être analysée.

Plus précisément, la raie d’émission du monoxyde de carbone qui «est une molécule couramment utilisée pour localiser le gaz moléculaire». contient une «composante spectrale dont le décalage témoigne d’une vitesse élevée, signature d’un vent important». En fait, «le gaz atteint des vitesses suffisamment élevées pour quitter cette région mais pas la galaxie elle-même, et va donc rester piégé».

Autrement dit, «le vent peut limiter la croissance de la région de formation d'étoiles, mais pas de la galaxie dans son ensemble». En outre, «si cette région éjecte plus rapidement son gaz qu'elle n'en accumule, elle pourra se dissoudre et libérer son contenu dans la galaxie hôte». En conséquence, ces zones denses de formation d'étoiles semblent «être des structures transitoires qui évoluent rapidement au sein des galaxies».

Pour sa part, la seconde étude a aussi analysé «les propriétés physiques des nuages moléculaires dans l'Emeraude et d'autres galaxies similaires, en observant plusieurs raies d'émission du monoxyde de carbone avec le télescope de 30 m de l'IRAM». Comme «ces transitions nécessitent différentes énergies pour être excitées», il est possible «en mesurant leur intensité relative», de déterminer «la densité et la température du gaz, ainsi que l'intensité du rayonnement produit par les jeunes étoiles récemment formées».

Alors que «de précédentes observations ont montré que, dans les galaxies à bouffées de formation d'étoiles proches de la Voie Lactée, le gaz atteint les densités et températures les plus extrêmes au sein des nurseries d'étoiles et qu’il est plus diffus dans les régions environnantes», dans les galaxies de l'Univers jeune, «l'émission du gaz moléculaire entre les pouponnières d'étoiles est beaucoup plus ténue, et donc très difficile à sonder».

Pour cela, il faut «détecter un grand nombre de raies d'émission avec différentes énergies d'excitation pour comprendre si ces galaxies lointaines hébergent un ou plusieurs régimes de phases gazeuses». Ainsi, les observations de l'IRAM ont révélé «en plus du gaz directement associé à la formation d'étoiles, une deuxième composante moins dense et pouvant atteindre jusqu'à la moitié de la masse totale en gaz dans ces galaxies». Les propriétés de cette composante «correspondent à des réservoirs de gaz répartis sur de grandes échelles et pouvant participer à la formation de nouvelles nurseries d'étoiles géantes».

Soulignons pour finir que les galaxies en question «ont été découvertes grâce au relevé du satellite Planck de l'ESA dans le domaine submillimétrique», car si Planck a «été principalement conçu pour étudier le rayonnement du fond diffus cosmologique, il s'est également révélé très utile pour identifier les galaxies les plus brillantes et les plus rares dans l’Univers jeune».