Pourquoi 90% des galaxies lointaines restent non détectées lors de nombreux grands relevés ?

Publié par Michel le 29/03/2010 à 00:00
Source: (c) ESO
Illustration: ESO/M. Hayes?
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 (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment....) du très grand télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique permettant d'augmenter la luminosité ainsi que la taille...) (VLT) de l'ESO et d'un filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.) unique fait sur mesure, les astronomes ont déterminé qu'une grande fraction des galaxies dont la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée...) 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 (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.).


Le champ GOODS-Sud.
90% des galaxies dont la lumière met plus de 10 milliards d'années à nous parvenir restent invisibles.

Les astronomes utilisent fréquemment les caractéristiques bien spécifiques de "l'empreinte digitale (Les digitales forment le genre Digitalis, environ 20 espèces de plantes herbacées classiquement placées dans la famille des...)" de la lumière émise par l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) - connue sous le nom de raie (Raie [ʀɛ] est un nom vernaculaire ambigu qui correspond en français à de nombreuses espèces de poissons regroupées dans plusieurs ordres du super-ordre Euselachii. Les...) de Lyman alpha - pour mesurer la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) 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 (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux...) 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 (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) de la raie Lyman alpha", explique Matthew Hayes, le premier auteur de l'article scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) 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 (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la...) 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 (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) dans 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 des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter...) différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application...), 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 (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.).

"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 (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se...) Lyman alpha est détruite par l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) avec les nuages de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la...) 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 (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très...) 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 (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification...) de plus en plus utilisé pour étudier les toutes premières galaxies formées dans l'histoire de l'Univers. "Maintenant que nous connaissons le pourcentage (Un pourcentage est une façon d'exprimer une proportion ou une fraction dans un ensemble. Une expression comme « 45 % » (lue « 45 pour cent ») est en réalité la sténographie pour la fraction 45/100 dont...) 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 (L'expression première lumière désigne le moment où un télescope astronomique nouvellement installé reçoit et enregistre ses premiers photons venus du ciel. Les...)" en 2007 est un instrument à la pointe de la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :). "Il n'y a que quelques caméras en service qui disposent d'un champ de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) 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 (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le...) de galaxies aussi peu lumineuses situées à de si grandes distances", précise Daniel Schaerer.

Ce travail a été présenté dans un article à paraître dans la revue Nature(“Escape of about five per cent of Lyman-? photons from high-redshift star-forming galaxies”, by M. Hayes et al.).


Notes

[1] La lumière Lyman alpha correspond à l'émission d'atomes d'hydrogène excité (plus spécifiquement à l'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.) émise par un 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.) lorsqu'il retombe du premier niveau excité sur le niveau fondamental de l'atome). Cette lumière est émise dans 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.) 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 (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...) 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 (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif...) 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 (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) interstellaire baignant les galaxies, le gaz est presque parfaitement transparent au rayonnement H-alpha.

[2] Un filtre à bande étroite est un filtre optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) destiné à n'admettre qu'une étroite fenêtre (En architecture et construction, une fenêtre est une baie, une ouverture dans un mur ou un pan incliné de toiture, avec ou sans vitres.) 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.

[3] En raison de l'expansion de l'Univers, la lumière d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette...) distant est décalée vers la partie rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) du spectre électromagnétique (Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement électromagnétique selon ses différentes composantes en terme de fréquence, d'énergie des...) 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 (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des...). Elle peut alors être observée avec l'instrument HAWK-I sur le VLT.
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