Détection d'une galaxie ultraviolette "extrême"

Publié par Redbran le 01/09/2020 à 09:00
Source: Université de Genève
La découverte de la première galaxie émettant un rayonnement ultraviolet "extrême" pourrait aider à mieux comprendre comment a pris fin l'ère cosmique dite des "âges sombres", il y a plus de 13 milliards d'années.


Image prise par le satellite indien AstroSat dans le domaine de l'ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la lumière visible et celle des rayons X.). Le zoom montre la galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la...) AUDFs01 vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) par le télescope spatial Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en orbite à environ 600 kilomètres d'altitude, il effectue un tour complet de la Terre toutes les 100 minutes. Il est...) (à gauche) et par AstroSat (à droite).

Une équipe internationale, dont font partie des astronomes de l'UNIGE, a détecté grâce au satellite (Satellite peut faire référence à :) indien AstroSat la première galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir...), baptisée AUDFs01, émettant un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) ultraviolet "extrême", c'est-à-dire très énergétique (d'une longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) d'environ 60 nanomètres, ou milliardièmes de mètre). Les galaxies "ultraviolettes" sont rares (on n'en connaît que quelques dizaines, émettant toutes des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...) moins énergétiques qu'AUDFs01) mais elles permettent d'apporter un éclairage sur une période très précoce et méconnue de l'histoire du cosmos: la fin des "âges sombres".

Il y a plus de 13 milliards d'années sont en effet apparues les premières étoiles et galaxies dont le rayonnement ultraviolet est justement responsable de l'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges...) des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme...) intergalactiques et donc du fait que l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) est devenu transparent et l'est encore aujourd'hui. Les photons ionisants des galaxies primordiales étant hors de portée, les astronomes doivent se tourner vers des galaxies ultraviolettes analogues plus proches, comme AUDFs01, pour échafauder leurs modèles de simulation de cet épisode de la réionisation. Cette découverte est à lire dans la revue Nature Astronomy.

"Quelques temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) après le Big bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui la décrivent, sans que...), l'Univers est passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur...) par une ère très obscure, appelée les "âges sombres", explique Anne Verhamme, professeure au Département d'Astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne doit pas être confondue avec la...) de la Faculté des sciences de l'UNIGE. Au cours de cette période de quelques centaines de milliers ou centaines de millions d'années, l'Univers est noir, rempli de gaz neutre, essentiellement de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), l'élément le plus simple et les plus abondant dans la nature. Puis, il y a environ 13 milliards d'années, a lieu une transition radicale. Les premières étoiles et galaxies apparaissent et, petit à petit, leur rayonnement ionise tous les atomes de gaz de l'espace intergalactique, c'est-à-dire qu'il leur arrache leur électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.). L'Univers devient lumineux et transparent. Cette phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) s'appelle la ré-ionisation. Et notre étude devrait contribuer à comprendre, en apportant de nouvelles données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) à des modèles de simulation, comment cet épisode s'est déroulé, combien de temps il a duré, etc."

Un rayonnement stellaire presque impossible à détecter

Seules les étoiles les plus massives émettent un rayonnement assez énergétique pour casser les atomes d'hydrogène. Le problème, c'est que ce rayonnement est presque toujours absorbé par l'hydrogène environnant et donc difficile à observer directement. Du coup, pour connaître la distribution d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) des photons ionisants émis par de telles étoiles, les astronomes sont contraints de se reposer sur des prédictions théoriques. Malheureusement, ces dernières divergent grandement entre elles dans le domaine des ultraviolets dits extrêmes, spécialement aux longueurs d'ondes plus courtes que 80 nanomètres (ou milliardièmes de mètre).

Des galaxies primordiales muettes

"On suppose que les premières étoiles massives apparues à la fin des âges sombres ont dû émettre suffisamment de rayonnement ionisant (Un rayonnement ionisant est un rayonnement qui produit des ionisations dans la matière qu'il traverse. Ces rayonnements ionisants, lorsqu'ils sont maîtrisés, ont beaucoup d'usages pratiques bénéfiques...) pour qu'une partie s'échappe des galaxies primordiales et ionise le milieu intergalactique, avance Daniel Schaerer, professeur au Département d'Astronomie. Mais on ne pourra jamais vérifier ce scénario par des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) directes. En effet, la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des...) qu'un de ces photons ionisants, émis par une galaxie aussi lointaine, arrive jusqu'à nos télescopes sans rencontrer d'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué d'un noyau...) d'hydrogène en chemin est nulle."

Pour tenter d'en savoir plus, les scientifiques doivent donc se tourner vers des galaxies proches, analogues des galaxies primordiales, qui émettraient suffisamment de photons ionisants pour que certains s'échappent et arrivent jusqu'à la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la...). Le problème, c'est que la vaste majorité de ces galaxies proches sont opaques aux photons ionisants.

Quelques dizaines de galaxies

Après des décennies de recherches, seulement quelques dizaines de galaxies ultraviolettes ont été découvertes très récemment (toutes après 2016). Elles sont soit très proches, soit beaucoup plus loin, deux distances qui correspondent simplement aux limites de détection des appareils à disposition à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure,...) de la Terre et à bord de satellites actuels.

"Lancé en 2015, AstroSat, le premier observatoire spatial astronomique indien, a permis pour la première fois de chercher des galaxies ultraviolettes situées à des distances intermédiaires grâce à ses détecteurs sensibles à une large gamme d'ultraviolets", explique Kanak Saha, professeur à l'Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics en Inde et premier auteur de l'article.

"C'est ainsi que nous avons découvert la première galaxie émettant dans le domaine des ultraviolets extrêmes (d'une longueur d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...) de 60 nanomètres), souligne Charlotte Simmonds, chercheuse au Département d'Astronomie et co-auteure de l'article. AUDFs01 offre la première contrainte observationnelle dans un régime de longueurs d'onde où les modèles stellaires sont les plus divergents. Grâce à AstroSat, on en attend d'autres dans un futur proche. Elles nous permettront de raffiner le scénario décrivant l'épisode fascinant de la ré-ionisation de l'Univers."

Publication:
Cette recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) est publiée dans Nature Astronomy, DOI: 10.1038/s41550-020-1173-5

Contacts:
- Anne Verhamme - Professeure assistante - Département d'astronomie - Faculté des sciences
- Daniel Schaerer - Professeur Associé - Département d'astronomie - Faculté des sciences
- Charlotte Simmonds - Doctorante - Département d'astronomie - Faculté des sciences
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