Le satellite Planck de l’ESA vient de délivrer une image exceptionnelle de l’intégralité du ciel provenant du premier relevé, qui est tout juste achevé. Celle-ci met en évidence les deux sources de rayonnement du ciel les plus importantes dans le domaine des micro-ondes : le rayonnement fossile et la Voie lactée. Le rayonnement fossile correspond à l’écho lumineux du Big Bang. Il témoigne des premiers instants de l’Univers, qu’il a traversé pendant près de 13,7 milliards d’années avant de parvenir jusqu’à nous. Dans certaines directions, on voit en superposition le rayonnement issu de divers objets astrophysiques, notamment notre Galaxie, la Voie lactée. Grâce aux observations de Planck à neuf fréquences différentes, et grâce à des techniques sophistiquées d’analyse d’images, il est possible de distinguer ces différents rayonnements. Ils deviendront des produits scientifiques distincts de grande importance, tant pour les astrophysiciens que pour les cosmologistes, et seront rendus publics fin 2012.
Le satellite Planck de l’ESA observe actuellement tout le ciel dans le domaine des micro-ondes. L’objectif principal de la mission Planck est d’observer le rayonnement fossile, c’est-à-dire la lumière issue des premiers instants de l’Univers. Les minuscules fluctuations de température de ce rayonnement portent la trace des germes des grandes structures cosmiques qui se sont formées plus tard, comme les galaxies ou les amas de galaxies. Néanmoins, à ce rayonnement fossile s’ajoute une brume de lumière d’avant-plan issue de notre propre Galaxie. Il s’agit de l’émission du milieu interstellaire, mélange de gaz et poussières qui remplit notre Voie lactée. Cette émission de notre Galaxie ne masque pas le rayonnement fossile, mais se superpose à celui-ci.
Cette première image de tout le ciel représente une synthèse particulière de toute l’information que Planck est en train de collecter. Elle a été spécifiquement traitée pour mettre en valeur l’émission de notre Galaxie. D’autres traitements peuvent en revanche mettre en exergue la partie cosmologique. Pour y arriver avec la précision requise, les équipes scientifiques de Planck ont développé un système dédié très sophistiqué d’analyse d’images, qui utilise toute la finesse et la sensibilité exceptionnelles des images de Planck dans ces neuf bandes de fréquence.
La structure granulaire du rayonnement fossile est la plus manifeste dans les régions en haut et en bas de l’image, où l’émission de notre Galaxie est plus faible, » nous explique le responsable scientifique de l’instrument HFI, Jean-Michel Lamarre du Laboratoire d’étude du rayonnement et de la matière en astrophysique. « Par ailleurs, une partie importante du ciel montre différentes régions de la Voie lactée, très brillante le long du plan galactique (la large bande horizontale centrale claire), mais qui s’étend aussi au-dessus et au-dessous, même si elle y est moins intense. »
Jean-Loup Puget, directeur de recherche du CNRS à l’Institut d’astrophysique spatiale et responsable scientifique du consortium de laboratoire qui a construit l’instrument HFI, explique que « le milieu interstellaire de la Voie lactée est composé de nuages de gaz et de poussières de différente composition, température, et densité. Heureusement, les différentes phases du milieu interstellaire émettent dans des bandes de fréquences, des « couleurs » différentes ; ces signatures peuvent être utilisées pour séparer l’émission galactique, et donc pour les soustraire des images afin d’extraire le rayonnement fossile, de la même façon que le cerveau humain est capable d’isoler la voix d’une personne qui parle au milieu d’un groupe en pleine discussion. L’analyse de la composante interstellaire donnera des informations précieuses sur les mécanisme de formation des étoiles dans notre Galaxie.»
François Bouchet, directeur de recherche du CNRS à l’Institut d’astrophysique de Paris, coordinateur scientifique et responsable du traitement des données, souligne : « Après 17 ans de travaux préparatoires un peu arides, nous avons enfin sur nos écrans ces données qui recèlent des éléments de réponses à des questions cosmologiques dans la continuation des grandes interrogations sur l’Univers et l’origine qui agitent l’humanité depuis les temps les plus reculés ». Mais les principaux résultats cosmologiques demanderont près de deux années supplémentaires de collecte, de traitement et d’analyse des données. Pendant ce temps, l’analyse détaillée de l’émission galactique permettra une grande amélioration de not
Le trou noir supermassif présent au centre de notre Galaxie a connu un passé agité ces derniers siècles. C’est son voisinage qui nous le révèle : des nuages moléculaires, dont la luminosité variable en rayonnement X et gamma reflète une forte éruption passée. Ces résultats, obtenus par une équipe internationale de chercheurs dont ceux du CNRS (IN2P3(1) et INSU(2)) et du CEA(3), sont publiés dans The Astrophysical Journal.
Les trous noirs situés dans les noyaux des galaxies actives connaissent généralement une activité intense. Pas celui de notre Galaxie, Sgr A*, qui présente une activité extrêmement réduite. Mais une équipe internationale de chercheurs, dirigée par des astrophysiciens du laboratoire Astroparticule et cosmologie de Paris (CNRS / Université Paris-Diderot / CEA / Observatoire de Paris), a pu démontrer que ce trou noir avait été actif dans un passé très récent, et qu’il n’était donc pas aussi atypique qu’il paraissait.
Grâce à XMM-Newton et INTEGRAL, deux satellites de l’ESA auxquels le CNES, le CEA et le CNRS (INSU et IN2P3) ont fortement contribué, les chercheurs ont pu observer les émissions X et gamma des nuages moléculaires de la région du centre galactique, voisins de Sgr A*. Surprise : ces émissions ont connu des variations spectaculaires, comme l’allumage progressif de l’un des nuages, entre 2004 et 2009, à une vitesse apparente trois fois plus élevée que celle de la lumière (Fig. 1).
Ce phénomène prouve que ces nuages réfléchissent le rayonnement de haute énergie produit par une activité intense du trou noir supermassif. L’écho de lumière nous arrive en effet avec un délai, par rapport à la lumière directe du trou noir, qui dépend de la position du nuage et du temps que le rayonnement emploie pour parcourir la distance entre le trou noir et le nuage. En observant la décroissance de l’émission gamma dans un autre nuage (fig. 2), les chercheurs ont estimé la durée et l’intensité de cette éruption, commencée il y a environ quatre siècles et qui s’est terminée au début du XXè siècle. Pendant trois cents ans, le trou noir supermassif de notre Galaxie a donc été un million de fois plus lumineux qu’actuellement.
Figure 1. Images XMM-Newton de l’émission de la raie de fluorescence du fer neutre dans les nuages moléculaires autour de Sgr A* (Bridge, MC1 et MC2) entre 2004 et 2009. On voit clairement la progression de l’émission dans les sous-régions marquées par les ellipses 1, 2, 3 et 4 du Bridge. La distance parcourue par l’émission est de 15 années lumières en moins de 5 ans. L’échelle angulaire (2 arc-minutes = 15 années lumière à la distance du centre galactique) et la direction vers Sgr A* sont aussi indiquées
Figure 2. La région du centre galactique vue par INTEGRAL en rayons gamma de basse énergie (20-60 keV) à différentes époques, chaque bande pour une année différente entre 2003 et 2009. Les différentes sources sont généralement associées à des systèmes binaires X variables. Le cercle vert dans l’image en haut montre la position du nuage moléculaire Sgr B2. La source gamma associée montre clairement un déclin sur 7 ans
Une équipe internationale d’astronomes dirigée par Masato Onodera du Service d’Astrophysique du CEA-Irfu, travaillant dans le cadre d’un projet financé par l’Agence Nationale de la recherche (ANR)[1], a utilisé le télescope japonais Subaru[2] pour prendre un spectre infrarouge d’une galaxie elliptique massive très lointaine et extrêmement brillante. Cette galaxie est située à 10 milliards d’années-lumière de la Terre et est observée au moment où l’Univers n’avait qu’environ un quart de son âge actuel. Paradoxalement, et en contradiction avec certaines études précédentes, cette galaxie ressemble à ses cousines de notre Univers local. Ce résultat apporte une touche de complexité supplémentaire au « puzzle » de l’évolution des galaxies et montre que certaines galaxies elliptiques peuvent déjà atteindre leur taille adulte tôt dans l’évolution de l’Univers, tandis que d’autres peuvent augmenter leur volume une centaine de fois au cours du temps. Ces résultats sont publiés dans la revue The Astrophysical Journal du 20 Mai 2010.
Les galaxies elliptiques changent-elles de taille ?
Les galaxies les plus massives dans notre Univers proche sont des elliptiques géantes. Elles ont une forme ovale régulière et ne possèdent pas de disque comme les galaxies spirales dont fait partie notre propre galaxie, la Voie lactée.
Image d’une galaxie elliptique proche, la galaxie M87 dans la constellation de la Vierge à environ 50 millions d’années-lumière. Cliché AAO/Malin
En utilisant de grands télescopes, les astronomes ont maintenant identifié des galaxies elliptiques plus de dix fois plus massives que la Voie lactée et aussi loin de la Terre que dix milliards d’années-lumière. Observer la lumière de galaxies aussi lointaines permet l’étude directe de leur apparence peu après leur formation et ouvre de nouvelles perspectives sur le passé lointain de notre Univers.
Il y a cinq ans, des images extraordinairement profondes de l’Univers prises par le télescope spatial Hubble suggéraient que les galaxies elliptiques lointaines pouvaient être de deux à cinq fois plus petites que des galaxies elliptiques proches et de même masse. Si cette découverte était juste, cela signifierait que les densités des galaxies elliptiques lointaines seraient de dix à cent fois supérieures à celles des galaxies locales. Depuis, les scientifiques se sont interrogés pour savoir si ces galaxies très compactes pouvaient augmenter de volume pendant ces dix derniers milliards d’années jusqu’à occuper un volume similaire à celui de leur équivalentes locales. De nombreux chercheurs se demandaient si les mesures des tailles des elliptiques lointaines étaient précises : des erreurs de mesure ou des biais observationnels pouvaient-ils expliquer leur relative petite taille apparente ? Trop peu d’observations étaient jusqu’içi disponibles.
Peser les galaxies
L’équipe de Masato Onodera s’est tournée vers un des plus grands relevés de l’Univers lointain, le projet COSMOS,pour trouver d’éventuelles autres galaxies elliptiques géantes lointaines. Ils ont cherché des objets dotés d’une signature spectrale particulière dans le visible et le proche-infrarouge, comme celles détectées par la caméraSuprime-Cam du télescope Subaru, et la caméra WIRCAM du télescope Canada-France-Hawaii. Enfin, ils ont pû bénéficier de l’exceptionnelle base de données d’images à haute résolution du télescope spatial Hubble de l’équipe COSMOS pour trouver des objets qui avaient des formes similaires aux elliptiques locales, avec une masse équivalente. C’est cet échantillon de galaxies qui a finalement été sélectionné pour des observations avec le télescope Subaru.
A gauche : image composite d’un champ de galaxies lointaines obtenue d’après des clichés de la caméra Surprime-Cam du télescope Subaru (couleurs bleue et verte d’après les filtres B et z’) et la caméra WIRCAM du télescope CFH (couleur rouge pour le filtre Ks). La galaxie lointaine, 254025, à une distance de 10 milliard d’années-lumière, est un minuscule point rouge. A droite, un zoom sur la position de la galaxie marquée par un carré. Credits Subaru/CFH/SAp
Pour « peser » les galaxies, l’équipe de Masato Onodera a choisi d’utiliser une technique de mesure particulière, la dispersion des vitesses des étoiles qui permet d’estimer la masse d’une galaxie elliptique lointaine. La dispersion des vitesses est une mesure de la répartition des vitesses des étoiles. Plus la masse d’une galaxie est grande, plus les étoiles auront à tourner rapidement autour du centre de la galaxie pour compenser l’attraction gravitationnelle. La détermination de l’élargissement des raies spectrales dans le spectre de la galaxie peut renseigner sur la vitesse des étoiles et permettre de déduire la masse de la galaxie en comparant les informations sur sa taille avec la vitesse des étoiles.
Cependant, des raies spectrales intenses dans le proche-infrarouge sont nécessaires pour réaliser ces mesures sur des galaxies lointaines, domaine spectral dans lequel les observations sont particulièrement difficiles. Équipé de sonspectrographe et caméra infrarouge multi-objets (MOIRCS), le télescope Subaru était tout particulièrement adapté à l’étude de ces raies spectrales. Parce qu’il peut capter la lumière infrarouge d’objets multiples dans un grand champ de vision, il est capable de fournir des images et des mesures spectroscopiques de la composition de ces objets.
Le spectre dans l’infrarouge de la galaxie 254025, obtenu par l’instrument MOIRCS-Subaru et utilisé pour déterminer la dispersion de vitesse des étoiles d’après la largeur des raies des éléments chimiques Hydrogène (H), calcium (Ca) et d’hydrure de carbone (CH notés comme « G-band »), marqués par des flèches.
C’est une méthode relativement nouvelle de mesure de la masse des galaxies lointaines. De premières mesures avaient déjà été obtenues en 2009 sur une seule autre galaxie. Elles avaient révélées une grande dispersion des vitesses (plus de 500 km par seconde) qui etait cohérente avec une masse probable de 200 milliards de fois la masse du Soleil mais sous un rayon de seulement 2 500 années-lumière: des proportions, et du même coup une densité élevée, qui ne trouve pas d’équivalent parmi les galaxies locales. En utilisant la même technique, la galaxie ID 254025, trouvée et étudiée par l’équipe de Masato Onodera, a révélé une dispersion des vitesses beaucoup plus faible (environ 300 km par seconde), qui est plus en accord avec sa grande taille (environ 19 000 années-lumière). Avec une masse estimée à moins de 700 milliards de fois la masse du Soleil, cette galaxie a donc des mensurations tout à fait conformes aux galaxies locales. Ce résultat apporte la preuve que de grandes galaxies, parvenues à leur stade adulte, coexistent bien avec d’autres, plus compactes, dans l’Univers primordial.
Le mystère de la formation et de l’évolution de galaxies elliptiques reste donc entier. Quel type de galaxies prédominent dans l’univers jeune ? L’équipe de Masato Onodera se penche maintenant sur le problème de la détermination de la proportion relative de ces deux types extrêmes de galaxies elliptiques, en fonction du temps cosmique. De nouvelles observations avec l’instrument MOIRCS du télescope Subaru seront nécessaires pour contribuer à la résolution ce mystère.
Des chercheurs, comprenant des astrophysiciens du Centre d’Etude Spatiale des Rayonnements de Toulouse (INSU-CNRS) ont utilisé le satellite Fermi (NASA) pour observer dans le domaine gamma les lobes de la radiogalaxie Centaurus A. Ces lobes, qui couvrent approximativement 20 fois le diamètre apparent de la pleine Lune, ont été crée par le trou noir supermassive que la radiogalaxie abrite en son centre et sont des émetteurs intenses de rayons gamma. C’est la première fois que ce type d’émission gamma est détectée dans une radiogalaxie, rendant ainsi Centaurus A encore plus intéressante à étudier.
Centaurus A est la plus proche des galaxies à noyau actif se situant à 12 millions d’années-lumière de nous. Cette galaxie elliptique possède une structure très particulière avec deux jets de matière émanant d’un trou noir central de plusieurs centaines de millions de masses solaires. Elle serait en cours d’absorption d’une galaxie spirale. Cette matière, éjectée à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, forme deux grands lobes de plusieurs millions d’années-lumière de long qui rayonnent dans le domaine des ondes radios. Dans ce domaine de longueurs d’onde il s’agit de l’un des plus grands et plus lumineux objets de la voute céleste, et constitue donc un champ de recherche privilégié.
L’équipe internationale, dont font partie des chercheurs du Centre d’Etude Spatiale de Rayonnements de Toulouse (CESR : CNRS, Université Paul Sabatier, OSU-INSU) a utilisé le satellite Fermi de la NASA pour observer cette radiogalaxie dans le domaine des rayons gamma. Grace à leurs observations ils ont découvert que les lobes radio sont également des sources brillantes en photons gamma de haute énergie. Ces lobes sont remplies de particules très énergétiques, notamment des électrons, qui beignent dans un intense champ magnétique. Les électrons, en spiralant le long des lignes de force du champ magnétique, émettent dans le domaine radio, émission qui est bien connu dans les accélérateurs de particules terrestres sous le nom d’émission synchrotron.
Pour ce qui est de l’émission dans le domaine gamma, les astrophysiciens pensent qu’elle proviendrait de l’interaction du fond diffus cosmologique avec les électrons relativistes dans le lobe. La signature du fond diffus cosmologique est l’émission de photons dans le domaine des microondes. Lorsque les électrons énergétiques dans les lobes entrent en interaction avec ces photons, ils leurs cèdent une belle part de leur énergie, les « propulsant » dans le domaine gamma. Il s’agit de l’effet Compton inverse qui est connu pour produire des rayons X dans les galaxies actives. Avec leur étude de Centaurus A, les chercheurs de l’équipe ont démontré pour la première fois que ce processus est aussi capable de transformer les photons microondes du fond diffus cosmologique en rayons gamma.
Par cette observation de Centaurus A par le satellite Fermi de la NASA, les astrophysiciens disposent maintenant d’un objet d’étude privilégié : une radiogalaxie dans lesquels des processus ultra-énergétiques se développent conduisant jusqu’à l’émission de rayonnement gamma. Un bel objet d’étude.
Les astronomes savent depuis longtemps que dans de nombreux sondages de l’Univers très lointain, une fraction importante de l’ensemble de la lumière intrinsèque n’est pas observée. Maintenant, grâce à un relevé extrêmement profond, réalisé avec deux des quatre télescopes géants de 8,2 mètres de diamètre du très grand télescope (VLT) de l’ESO et d’un filtre unique fait sur mesure, les astronomes ont déterminé qu’une grande fraction des galaxies dont la lumière met plus de 10 milliards d’années à nous parvenir n’a pas été découverte. Ce relevé a également permis de découvrir quelques-unes des galaxies les moins lumineuses jamais observées à cette période précoce de l’Univers.
Les astronomes utilisent fréquemment les caractéristiques bien spécifiques de « l’empreinte digitale » de la lumière émise par l’hydrogène – connue sous le nom de raie de Lyman alpha – pour mesurer la quantité d’étoiles formées dans l’Univers lointain [1]. Toutefois, ils ont vite suspecté que de nombreuses galaxies lointaines passaient au travers des mailles du filet de ces grands relevés. Un nouveau relevé réalisé avec le VLT vient pour la première fois de démontrer que c’est exactement ce qui se passe. La majorité de la lumière Lyman alpha reste piégée dans la galaxie à l’origine de son émission et 90% des galaxies n’apparaissent pas dans les relevés utilisant la raie Lyman alpha.
« Les astronomes ont toujours su qu’ils perdaient une certaine fraction des galaxies dans les grands relevés centrés sur le rayonnement de la raie Lyman alpha », explique Matthew Hayes, le premier auteur de l’article scientifique publié cette semaine dans Nature, « mais pour la première fois nous en avons maintenant une mesure. La quantité de galaxies « manquées » est substantielle. »
Pour estimer quelle quantité de lumière passe inaperçue, Hayes et son équipe ont utilisé la caméra FORS sur le VLT et un filtre à bande étroite [2], spécialement conçu pour mesurer ce rayonnement, en suivant la méthode employée habituellement dans grands relevés de ce type. Puis, à l’aide de la nouvelle caméra HAWK-I, en service sur un autre télescope du VLT, ils ont observé la lumière émise par cette même région du ciel dans une longueur d’onde différente, correspondant également à un rayonnement de l’hydrogène et connue sous le nom de raie H-alpha. Ils ont observé spécifiquement des galaxies dont la lumière a voyagé 10 milliards d’années (redshift 2.2 [3]),dans une région du ciel bien étudiée, connue sous le nom de champ GOODS – Sud.
« C’est la première fois que nous observons une partie du ciel de manière aussi profonde dans le rayonnement de la lumière émise par l’hydrogène dans ces deux longueurs d’onde très spécifiques et cela s’avère fondamental, » précise Goran Östlin, un des membres du groupe. Le relevé était extrêmement profond et a permis de dévoiler quelques-unes des galaxies se révélant être parmi les moins lumineuses à cette époque précoce de l’évolution de l’Univers. Les astronomes ont ainsi pu arriver à la conclusion que les relevés traditionnels utilisant le rayonnement Lyman alpha ne voient qu’une infime partie de la totalité de lumière produite, car la plupart des photons Lyman alpha est détruite par l‘interaction avec les nuages de gaz et de poussière interstellaires. Cet effet est considérablement plus significatif pour le rayonnement Lyman alpha que pour le rayonnement H-alpha. Le résultat montre que de nombreuses galaxies, en quantité très importante puisqu’atteignant les 90%, restent invisibles pour ces grands relevés. « Si nous voyons dix galaxies à un endroit, il est en fait possible qu’il y en ait cent » précise Matthew Hayes.
Des méthodes d’observation différentes, ciblant la lumière émise dans des longueurs d’onde différentes, ne conduiront qu’à des visions partielles de l’Univers. Les résultats de cette étude constituent un avertissement pour les cosmologistes, dans la mesure où la signature de la raie Lyman alpha devient un outil de plus en plus utilisé pour étudier les toutes premières galaxies formées dans l’histoire de l’Univers. « Maintenant que nous connaissons le pourcentage de lumière manquante, nous pouvons commencer à élaborer de bien meilleures représentations de l’Univers, car nous pouvons comprendre avec quelle rapidité les étoiles se sont formées aux différents stades de l’évolution de l’Univers, »ajoute Miguel Mas-Hesse, co-auteur de l’article.
Cette avancée majeure a été possible grâce à la qualité exceptionnelle de la caméra utilisée. HAWK-I, qui a vu sa « première lumière » en 2007 est un instrument à la pointe de la technologie. « Il n’y a que quelques caméras en service qui disposent d’un champ de vue plus grand que HAWK-I mais elles se trouvent sur des télescopes dont la taille est inférieure à la moitié de celle du VLT. C’est pourquoi le couple VLT/HAWK-I est le seul capable d’une telle efficacité dans la recherche de galaxies aussi peu lumineuses situées à de si grandes distances », précise Daniel Schaerer.
Notes
[] La lumière Lyman alpha correspond à l’émission d’atomes d’hydrogène excité (plus spécifiquement à l’énergie émise par un électron lorsqu’il retombe du premier niveau excité sur le niveau fondamental de l’atome). Cette lumière est émise dans l’ultraviolet à 121.6nm. La raie dite Lyman alpha est la première d’une série appelée série de Lyman d’après son découvreur Théodore Lyman.
La série dite de Balmer, du nom de Johann Balmer, correspond aussi à la lumière émise par l’atome d’hydrogène excité. Dans ce cas, l’électron tombe sur le premier niveau excité. La première raie de cette série est la raie H-alpha émise à la longueur d’onde 656.3nm. Comme la plupart des atomes d’hydrogène présents dans une galaxie se trouvent au niveau fondamental, le rayonnement Lyman alpha est absorbé beaucoup plus efficacement que celui de H-alpha, qui requiert des atomes ayant un électron au second niveau. Etant donné que cela est plutôt rare dans l’hydrogène froid interstellaire baignant les galaxies, le gaz est presque parfaitement transparent au rayonnement H-alpha.
[] Un filtre à bande étroite est un filtre optique destiné à n’admettre qu’une étroite fenêtre de lumière centrée sur une longueur d’onde spécifique. Les filtres traditionnels à bande étroite sont centrés sur les raies de la série de Balmer telle H-alpha.
[] En raison de l’expansion de l’Univers, la lumière d’un objet distant est décalée vers la partie rouge du spectre électromagnétique proportionnellement à sa distance. Cela signifie que sa lumière se décale vers de plus grandes longueurs d’onde. Un décalage vers le « rouge » de 2.2 – ce qui correspond aux galaxies dont la lumière a mis environ dix milliards d’années pour nous parvenir- signifie que la lumière est étirée d’un facteur 3,2. Ainsi, le rayonnement Lyman alpha est alors observé à environ 390 nm, une longueur d’onde proche du domaine visible du spectre de la lumière et peut être observé par l’instrument FORS sur le VLT de l’ESO, alors que la raie H-alpha est décalée vers les 2,1 microns, dans le proche infrarouge. Elle peut alors être observée avec l’instrument HAWK-I sur le VLT.
Après avoir réussi à se cacher pendant des années, les étoiles primitives situées en dehors de notre Galaxie, la Voie Lactée, ont finalement été démasquées. De nouvelles observations, réalisées avec le très grand télescope (le VLT) de l’ESO, ont été utilisées pour résoudre un important puzzle astrophysique concernant les plus vieilles étoiles de notre environnement galactique – des informations cruciales pour notre compréhension des premières étoiles de l’Univers.
« En fait, nous avons trouvé un défaut dans les méthodes « médico-légales » utilisées jusqu’à maintenant, » déclare Else Starkenburg, premier auteur de l’article présentant cette étude. « Notre méthode perfectionnée nous permet de découvrir les étoiles primitives cachées parmi toutes les autres étoiles plus communes. »
On pense que les étoiles primitives ont été formées à partir de la matière qui s’est constituée très peu de temps après le Big Bang, il y a 13,7 milliards d’années. Leur quantité d’éléments chimiques plus lourds que l’hydrogène et l’hélium est généralement inférieure à un millième de ce que l’on trouve dans le Soleil et on les appelle des étoiles « extrêmement pauvres en métaux » [1]. Elles appartiennent à l’une des premières générations d’étoiles de notre Univers proche. De telles étoiles sont extrêmement rares et sont principalement observées dans la Voie Lactée.
Les cosmologistes pensent que les plus grandes galaxies comme la Voie Lactée se sont formées par la fusion de plus petites galaxies. La population d’étoiles pauvres en métaux ou étoiles « primitives » de notre Voie Lactée devrait déjà avoir été présente dans les galaxies naines à partir desquelles elle s’est formée et des populations similaires devraient exister dans d’autres galaxies naines. « Jusqu’à présent les preuves de leur présence ont été rares, » précise Giuseppina Battaglia, une des coauteurs de l’article. « Les grands sondages menés ces dernières années ont continué de montrer que les plus anciennes populations d’étoiles de la Voie Lactée et des galaxies naines ne correspondaient pas, ce qui n’était pas du tout prévu par les modèles cosmologiques. »
Les quantités d’éléments sont mesurées à partir des spectres qui fournissent les « empreintes digitales » chimiques des étoiles [2]. L’équipe « Dwarf galaxies Abundances and Radial-velocities » [3] a utilisé l’instrument FLAMES sur le VLT de l’ESO pour mesurer les spectres de plus de 2000 étoiles géantes individuelles situées dans quatre galaxies naines de notre environnement galactique : les galaxies du Fourneau, du Sculpteur, du Sextant et de la Carène. Etant donné que les galaxies naines sont généralement distantes de 300 000 années-lumière de la Terre – ce qui est environ trois fois la taille de la Voie Lactée – seules les principales caractéristiques ont pu être mesurées dans le spectre, comme sur une empreinte digitale vague et maculée. Cette équipe a trouvé qu’aucune empreinte digitale spectrale de leur grande collection ne semblait réellement appartenir à la classe d’étoiles qu’ils recherchaient – les rares étoiles « extrêmement pauvre en métaux » que l’on trouve dans la Voie Lactée.
Cette équipe d’astronomes pilotée par Else Starkenburg a maintenant éclairé d’un nouveau jour le problème grâce à de méticuleuses comparaisons de spectres avec des modèles simulés par ordinateur. Ils ont découvert que l’empreinte digitale chimique d’une étoile pauvre en métaux normale ne se distingue de celle d’une étoile « extrêmement pauvre en métaux » que par une très faible différence, expliquant ainsi pourquoi les méthodes précédentes n’avaient pas réussi à les identifier.
Herschel observe des galaxies jusqu’à 12 milliards d’années-lumière L’équipe HerMES du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (INSU-CNRS/Université de Provence) vient de révéler de nouvelles images enregistrées avec l’Observatoire Spatial Herschel, de l’Agence Spatiale Européenne, qui montrent les vues les plus détaillées en infrarouge del’Univers lointain, il y a 12 milliards d’années. Ces images, officiellement rendues publiques lors de la première conférence internationale Herschel qui s’est tenue à Madrid (jeudi 17 décembre), montrent des dizaines de milliers de galaxies nouvellement découvertes dans des phases initiales de leur formation. Les images seront étudiées par l’équipe du plus gros projet scientifique de la mission spatiale Herschel : HerMES (Herschel Multi-tiered Extragalactic Survey).
Les chercheurs du LAM (Véronique Buat, Denis Burgarella, Elodie Giovannoli, Alessandro Boselli, Annie Zavagno et Jean-Paul Baluteau) avec plus de 100 astronomes dans 6 pays et Sebastian Oliver (GB), responsable du projet, s’attendent à découvrir des centaines de milliers de nouvelles galaxies observées dans des phases initiales de leur formation, il y a plus de 10 milliards d’années. Les premiers résultats sont exceptionnels et dépassent les attentes des membres de l’équipe HerMES. Véronique Buat, chercheuse au LAM commente ces images: “Ces images sont une étape majeure dans la compréhension de l’univers lointain: elles nous montrent plusieurs milliers de galaxies en infrarouge jusqu’à des distances supérieures à 10 milliards d’années-lumière. Aucun télescope infrarouge n’avait pu atteindre cette sensibilité auparavant.” L’observatoire spatial Herschel est le plus grand télescope spatial jamais construit. Il est équipé de trois instruments : SPIRE (dont le dessin optique a été initialement réalisé au LAM), PACS et HIFI. Herschel a été lancé avec succès le 14 mai 2009 à bord de la fusée Ariane 5 à partir de la base Européenne de Kourou en Guyane Française. Après un voyage de deux mois et quelques 1,5 millions de kilomètres, Herschel a atteint sa base d’observation et est entré en phase de routine pour les observations. Le projet HerMES produira une carte de l’univers tel qu’il était il y a 8 milliards d’années grâce à des observations réalisées avec la camera infrarouge SPIRE.
Cette camera permet à Herschel de détecter des radiations provenant d’objets très froids et très distants : des étoiles et des galaxies en formation. “Il est fascinant de voir de telles images après seulement 14 heures d’observation et nous n’avons qu’une envie: pouvoir travailler sur l’ensemble des images du projet qui nous offriront une vision encore plus large de l’univers. Nous pourrons ainsi avoir une vision plus claire de l’histoire de la formation stellaire dans l’univers” déclare Denis Burgarella, astronome au LAM. Cette image, d’un champ équivalent à la surface de la pleine Lune, prise dans la constellation de la Grande Ourse, comprend plusieurs milliers de galaxies, jusqu’à des distances de 12 milliards d’années-lumière. Crédit : ESA La première des zones étudiées (et encore en phase d’investigation) a révélé des milliers de galaxies. A 12 milliards d’années-lumière de nous, les galaxies photographiées par Herschel apparaissent comme des points dans le cosmos. 12 milliards d’années-lumière, c’est un peu plus de 1 milliard d’années après le Big Bang, lorsque les galaxies sont encore en pleine phase de formation de leurs étoiles. Un objectif majeur de la mission Herschel sera de découvrir comment les galaxies se sont formées et comment elles ont évolué au cours des quelques 13,7 milliards d’années pour former les galaxies telles qu’on les observe aujourd’hui dans notre univers local.
Qui est le premier, les trous noirs super-massifs qui dévorent frénétiquement de la matière ou les énormes galaxies où ils résident ? Un tout nouveau scénario est apparu suite à une récente série de remarquables observations d’un trou noir « sans toit » : les trous noirs pourraient « construire » leur propre galaxie hôte. Ce résultat pourrait être le chainon manquant longtemps recherché pour comprendre pourquoi la masse des trous noirs hébergés par des galaxies contenant plus d’étoiles est plus importante.
La question de « la poule et de l’œuf », qui de la galaxie ou de son trou noir était là le premier, est un des sujets de l’astrophysique contemporaine les plus débattus » déclare David Elbaz, premier auteur de l’article scientifique présentant ce résultat. « Notre étude suggère que les trous noirs super-massifs peuvent déclencher la formation d’étoiles, « construisant ainsi leur propre galaxie hôte». Ce lien pourrait aussi permettre d’expliquer pourquoi les galaxies hébergeant les plus grands trous noirs ont plus d’étoiles. »
Pour obtenir une conclusion aussi extraordinaire, l’équipe d’astronomes a mené une importante campagne d’observation sur un curieux objet : le très proche quasar HE0450-2958 (voir le communiqué ESO PR 23/05 sur une précédente étude de cet objet), qui est le seul trou noir pour lequel les astronomes n’ont pas détecté de galaxie hôte [1]. HE0450-2958 est situé àquelques 5 milliards d’années-lumière de la Terre.
Jusqu’à maintenant, les astronomes supposaient que la galaxie hôte de ce quasar était cachée derrière une grande quantité de poussière. Aussi, les astronomes l’ont observé dans l’infrarouge.
Ces observations nous ont offert un nouveau regard surprenant sur ce système. Alors qu’aucune trace d’étoiles n’apparaît autour du trou noir, sa galaxie voisine est très riche en lumineuses et très jeunes étoiles.
Elle forme des étoiles à un taux équivalent à environ 350 soleils par an, cent fois plus que dans les galaxies typiques de l’Univers local.
De précédentes observations avaient montré que cette galaxie se faisait en fait tirer dessus : le quasar est en train de déverser un jet de particules de très haute énergie sur la galaxie, accompagné par un flot de gaz très rapide. L’injection de matière et d’énergie dans la galaxie indique que le quasar lui-même doit provoquer la formation d’étoiles et ainsi créer sa propre galaxie hôte. Dans un tel scénario, les galaxies auraient évolué à partir de nuages de gaz frappés par les jets d’énergie émergeant des quasars.
« Ces deux objets vont fatalement fusionner dans le futur : le quasar se déplace à une vitesse de seulement quelques dizaines de milliers de kilomètres par heure par rapport à la galaxie et ils sont éloignés d’à peine 22 000 années-lumière. » précise David Elbaz. « Bien que le quasar soit encore « nu », il finira par être « vêtu » quant il fusionnera avec sa galaxie riche en étoiles. Il résidera finalement à l’intérieur d’une galaxie comme tous les autres quasars. »
De ce fait, cette équipe a identifié les jets des trous noirs comme des moteurs possibles de la formation des galaxies et pourraient également être le lien longtemps recherché expliquant pourquoi la masse des trous noirs est plus importante dans les galaxies contenant plus d’étoiles [3].
« Un prolongement logique de notre recherche est de trouver des objets similaires dans d’autres systèmes » déclare Knud Jahnke.
Les prochains instruments, comme ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), l’E-ELT (le télescope géant européen) et le télescope spatial NASA / ESA / CSA James Web seront capables de chercher de tels objets, à des distances encore plus lointaines de la Terre, prouvant le lien entre les trous noirs et la formations des galaxies dans les parties les plus lointaines de l’Univers.
En scrutant au travers des épais nuages de poussière du « bulbe » de notre Galaxie (les myriades d’étoiles entourant son centre) et en révélant un nombre étonnant de détails, une équipe d’astronomes a dévoilé des étoiles d’une diversité peu habituelle dans le groupe d’étoiles appelé Terzan 5. Ce curieux cocktail d’étoiles, encore jamais observé dans le bulbe, laisse supposer que Terzan 5 est en fait un des blocs élémentaires primordiaux du bulbe, très probablement le vestige d’une galaxie naine ayant fusionné avec la Voie Lactée durant ses tous premiers jours.
« L’histoire de la Voie Lactée est encodée dans ses plus vieux fragments, amas globulaires et autres systèmes d’étoiles, qui ont été témoins de toute l’évolution de notre Galaxie » déclare Francesco Ferraro, premier auteur de l’article publié dans l’édition du journal Nature de cette semaine. « Notre nouvelle étude ouvre une nouvelle fenêtre sur encore un autre pan de notre passé galactique. »
Tels des archéologues, qui fouillent dans la poussière amoncelée sur les restes d’anciennes civilisations et déterrent des pièces cruciales de l’histoire de l’humanité, les astronomes ont concentré leur regard au travers des épaisses bandes de poussière interstellaire obscurcissant le bulbe de la Voie Lactée et ont dévoilé un vestige cosmique extraordinaire.
La cible de l’étude est l’amas d’étoiles Terzan 5. Les nouvelles observations montrent que cet objet, contrairement à la plupart des amas globulaires, n’héberge pas que des étoiles formées en même temps – ce que les astronomes appellent une « population unique » d’étoiles. Au lieu de cela, la multitude d’étoiles qui brillent dans Terzan 5 s’est formée au cours d’au moins deux périodes différentes, la première il y a probablement 12 milliards d’années, puis une seconde il y a six milliards d’années.
« Seul un autre amas globulaire avec une histoire aussi complexe de formation stellaire a été observé dans le halo de la Voie Lactée : Oméga du Centaure » précise Emanuele Dalessandro, membre de l’équipe. « C’est la première fois que nous voyons cela dans le bulbe. »
Le bulbe galactique est la région la moins accessible de notre galaxie pour les observations astronomiques : seule la lumière infrarouge permet de pénétrer les nuages de poussière et révéler ses myriades d’étoiles. « C’est uniquement grâce aux instruments exceptionnels installés sur le très grand télescope de l’ESO (le VLT) » déclare Barbara Lanzoni, une des co-auteurs de l’article, « que nous avons finalement été capables de « dissiper le brouillard » et d’obtenir une perspective nouvelle sur les origines du bulbe galactique lui-même. »
Un joyau technique se cache derrière cette découverte, à savoir, le « Multi-conjugate Adaptive optics Demonstrator » (MAD), un instrument de pointe qui permet au VLT de faire des images superbement détaillées dans l’infrarouge. L’Optique Adaptative est la technique avec laquelle les astronomes peuvent corriger les déformations provoquées par les turbulences atmosphériques de la Terre sur les images astronomiques réalisées avec des télescopes au sol. MAD est un prototype, encore plus puissant, des instruments d’optique adaptative de prochaine génération [1]. Continue Reading…
Une nouvelle technique utilisant des images prises dans le proche infrarouge, avec le « New Technology Telescope » (NTT) de 3,58 mètres de diamètre de l’ESO, a permis à des astronomes de voir à travers les bandes opaques de poussière de la galaxie cannibale géante Centaurus A, dévoilant son « dernier repas » avec une précision inégalée – une petite galaxie spirale, aujourd’hui tordue et déformée. Cette étonnante image montre également des milliers d’amas d’étoiles, éparpillés tels des pierres précieuses scintillantes, tournoyant à l’intérieur de Centaurus A.
Centaurus A (NGC 5128) est la galaxie elliptique géante la plus proche de la Terre, à une distance d’environ 11 millions d’années-lumière. C’est un des objets les plus étudiés du ciel austral. En 1847, son apparence unique a immédiatement attiré l’attention du célèbre astronome anglais John Herschel, qui a répertorié le ciel austral et réalisé une large liste de nébuleuses.
Toutefois, Herschel ne pouvait pas savoir que cette magnifique et spectaculaire apparence est due à une bande opaque de poussière qui couvre la partie centrale de la galaxie. On pense que cette poussière est le reste
d’une fusion cosmique entre une galaxie elliptique géante et une plus petite galaxie spirale pleine de poussière.
Il y a entre 200 et 700 millions d’années, cette galaxie aurait consommé une plus petite galaxie spirale riche en gaz dont le contenu semble tournoyer dans le cœur de Centaurus A, engendrant de nouvelles générations d’étoiles.
Le premier aperçu des restes de ce dîner a été obtenu grâce aux observations du satellite ISO (Infrared Space Observatory) de l’ESA, qui révéla une structure large de 16 500 années-lumière très semblable à celle d’une petite galaxie barrée. Plus récemment, le télescope spatialSpitzer de la NASA a révélé la forme de parallélogramme de cette structure, qui peut être expliquée comme étant le reste d’une galaxie spirale riche en gaz tombant dans une galaxie elliptique et se tordant et se déformant dans le processus. La fusion de galaxies est le mécanisme le plus couramment utilisé pour expliquer la formation de telles galaxies elliptiques géantes.
Les nouvelles images de SOFI, obtenues avec le « New Technology Telescope » (NTT) de 3,58 mètres de diamètre de l’Observatoire de la Silla de l’ESO, ont permis aux astronomes d’avoir une vue encore plus précise de la structure de cette galaxie, sans aucune poussière obscurcissante. Les images originales, obtenue en observant dans le proche infrarouge à travers trois filtres différents (J,H,K), ont été combinées en utilisant unenouvelle technique qui supprime l’effet d’écran sombre de la poussière, fournissant une vue claire du centre de cette galaxie.
Ce que les astronomes ont trouvé était surprenant « Il y a un anneau clair d’étoiles et d’amas caché derrière les bandes de poussière et nos images nous en offrent une vue d’une précision inégalée, » déclare Jouni Kainulainen, premier auteur de l’article présentant ces résultats. « Les prochaines analyses de cette structure vont fournir d’importants indices pour expliquer comment le processus de fusion s’est produit et quel a été le rôle de la formation stellaire durant ce processus. » Continue Reading…
