Le Quintette de Stephan est un groupe de cinq galaxies – NGC 7317, NGC 7318a, NGC 7318b, NGC 7319 et NGC 7320 – généralement situées à environ 270 millions d’années-lumière de la Terre dans la constellation de Pégase. Le groupe fournit un laboratoire vierge pour l’étude des collisions de galaxies et de leur impact sur l’environnement environnant. Généralement, les collisions et les fusions de galaxies déclenchent une explosion de formation d’étoiles ; ce n’est pas le cas dans le Quintette de Stephan. Au lieu de cela, cette activité violente se déroule dans le milieu intergalactique, loin des galaxies dans des endroits où il y a peu ou pas de formation d’étoiles pour obstruer la vue.

Cette fenêtre dégagée sur l’Univers a permis aux astronomes d’observer ce qui se passe alors que l’une des galaxies, NGC 7318b, s’introduit violemment dans le groupe à une vitesse relative d’environ 800 km/seconde. À cette vitesse, un voyage de la Terre à la Lune ne prendrait que huit minutes. « Alors que cet intrus s’écrase sur le groupe, il entre en collision avec un vieux serpentin de gaz qui a probablement été causé par une interaction précédente entre deux des autres galaxies, et provoque la formation d’une onde de choc géante », a déclaré Philip Appleton, astronome et senior. scientifique au centre de traitement et d’analyse infrarouge de Caltech (IPAC) et chercheur principal du projet. « Alors que l’onde de choc traverse cette banderole agglomérée, elle crée une couche de refroidissement très turbulente ou instable, et c’est dans les régions touchées par cette activité violente que nous voyons des structures inattendues et le recyclage de l’hydrogène moléculaire. C’est important parce que l’hydrogène moléculaire forme la matière première qui peut finalement former des étoiles, donc comprendre son sort nous en dira plus sur l’évolution du Quintette de Stephan et des galaxies en général. »

Les nouvelles observations utilisant le récepteur de la bande 6 d’ALMA (longueur d’onde de 1,3 mm) – développé par le National Radio Astronomy Observatory (NRAO) de la National Science Foundation des États-Unis – ont permis aux scientifiques de zoomer sur trois régions clés dans les moindres détails et, pour la première fois, de construire une image claire de la façon dont l’hydrogène gazeux se déplace et se façonne en continu.

« La puissance d’ALMA est évidente dans ces observations, offrant aux astronomes de nouvelles perspectives et une meilleure compréhension de ces processus jusque-là inconnus », a déclaré Joe Pesce, responsable de programme pour ALMA à la US National Science Foundation (NSF).

La région au centre de l’onde de choc principale, surnommée Champ 6, a révélé un nuage géant de molécules froides qui se disloque et s’étire en une longue queue d’hydrogène moléculaire chaud et recyclé à plusieurs reprises à travers ces mêmes phases. « Ce que nous voyons, c’est la désintégration d’un nuage géant de molécules froides dans un gaz super chaud, et curieusement, le gaz ne survit pas au choc, il passe simplement par des phases chaudes et froides », a déclaré Appleton. « Nous ne comprenons pas encore complètement ces cycles, mais nous savons que le gaz est recyclé car la longueur de la queue est plus longue que le temps qu’il faut pour que les nuages ​​dont il est fait soient détruits. »

Cette usine de recyclage intergalactique n’est pas la seule activité étrange résultant des ondes de choc. Dans la région appelée Field 5, les scientifiques ont observé deux nuages ​​​​de gaz froid reliés par un flux d’hydrogène moléculaire chaud. Curieusement, l’un des nuages ​​- qui ressemble à une balle à grande vitesse d’hydrogène froid entrant en collision avec un gros filament filamenteux de gaz étalé – a créé un anneau dans la structure en perçant. L’énergie causée par cette collision alimente l’enveloppe chaude de gaz autour de la région, mais les scientifiques ne savent pas exactement ce que cela signifie car ils ne disposent pas encore de données d’observation détaillées pour le gaz chaud. « Un nuage moléculaire perçant le gaz intergalactique et laissant des ravages dans son sillage peut être rare et pas encore entièrement compris », a déclaré Bjorn Emonts, astronome au NRAO et co-investigateur du projet. « Mais nos données montrent que nous avons franchi une nouvelle étape dans la compréhension du comportement choquant et du cycle de vie turbulent des nuages ​​​​de gaz moléculaires dans le quintette de Stephan. »

La plus « normale » du groupe est peut-être la région surnommée Champ 4, où les scientifiques ont trouvé un environnement plus stable et moins turbulent qui a permis à l’hydrogène gazeux de s’effondrer en un disque d’étoiles et ce que les scientifiques pensent être une petite galaxie naine en formation. « Dans le champ 4, il est probable que de gros nuages ​​préexistants de gaz dense soient devenus instables à cause du choc, et se soient effondrés pour former de nouvelles étoiles comme on s’y attendait », explique Pierre Guillard, chercheur à l’Institut d’Astrophysique de Paris et un co-chercheur du projet, ajoutant que toutes les nouvelles observations ont des implications importantes pour les modèles théoriques de l’impact de la turbulence dans l’Univers. « L’onde de choc dans le milieu intergalactique du Quintette de Stephan a formé autant de gaz moléculaire froid que nous en avons dans notre propre Voie lactée, et pourtant, elle forme des étoiles à un rythme beaucoup plus lent que prévu. Comprendre pourquoi ce matériau est stérile est un véritable défi pour les théoriciens. Des travaux supplémentaires sont nécessaires pour comprendre le rôle des hauts niveaux de turbulence et du mélange efficace entre les gaz froids et chauds.

Avant les observations d’ALMA, les scientifiques n’avaient aucune idée que tout cela se jouait dans le milieu intergalactique du Quintet, mais ce n’était pas faute d’avoir essayé. En 2010, l’équipe a utilisé le télescope spatial Spitzer pour observer le Quintette de Stephan et a découvert de gros nuages ​​d’hydrogène chaud — estimé entre 100° et 400° Kelvin, ou environ -280° à 260° Fahrenheit — hydrogène moléculaire mélangé avec le gaz super chaud. « Ces nuages ​​auraient dû être détruits par l’onde de choc à grande échelle traversant le groupe, mais ils ne l’ont pas été. Et nous voulions savoir, et voulons toujours savoir, comment ont-ils survécu ? » dit Appleton.

Pour résoudre le mystère, l’équipe avait besoin de plus de puissance et de capacités technologiques différentes. La première lumière d’ALMA s’est produite plus d’un an plus tard, fin 2011 et JWST a capturé ses premières images plus tôt cette année. La combinaison de ces puissantes ressources a fourni des images infrarouges d’une beauté saisissante du Quintette de Stephan et une compréhension alléchante, bien qu’incomplète, de la relation entre les gaz d’hydrogène moléculaire froid, chaud et ionisé dans le sillage de l’onde de choc géante. L’équipe a maintenant besoin de données spectroscopiques pour percer les secrets de l’hydrogène moléculaire chaud.

« Ces nouvelles observations nous ont donné quelques réponses, mais nous ont finalement montré à quel point nous ne savons pas encore », a déclaré Appleton. « Alors que nous avons maintenant une meilleure compréhension des structures de gaz et du rôle de la turbulence dans leur création et leur maintien, les futures observations spectroscopiques traceront les mouvements du gaz par effet doppler, nous diront à quelle vitesse le gaz chaud se déplace, nous permettront pour mesurer la température du gaz chaud et voir comment le gaz est refroidi ou réchauffé par les ondes de choc. Essentiellement, nous avons un côté de l’histoire. Il est maintenant temps d’obtenir l’autre.

Les observations ont été présentées aujourd’hui lors d’une conférence de presse lors de la 241e réunion de l’American Astronomical Society (AAS) à Seattle, Washington.