Les premières images de la toile cosmique révèlent une myriade de galaxies naines insoupçonnées

Publié par Redbran le 19/03/2021 à 09:00
Source: CNRS
Les filaments de gaz dans lesquels naissent les galaxies sont prédits depuis longtemps par les modèles cosmologiques mais nous n'avions pas encore de véritables images de ces objets. Pour la première fois, plusieurs filaments de cette "toile cosmique" ont été observés directement, grâce à l'instrument MUSE du Very Large Telescope de l'ESO, au Chili. Ces observations de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) jeune, 1 à 2 milliards d'années après le Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a...), suggèrent l'existence de très nombreuses galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec...) naines, jusqu'alors insoupçonnées. Issue d'une collaboration internationale dirigée par le Centre de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...) de Lyon (CNRS/Université Lyon 1/ENS de Lyon) et associant le laboratoire Lagrange (CNRS/Université Côte d'Azur/Observatoire de la Côte d'Azur), cette étude parait dans la revue Astronomy & Astrophysics le 18 mars 2021.


Figure 1: simulation cosmologique de l'Univers lointain. Cette image illustre la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) émise par les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) de la toile cosmique dans une région d'environ 15 millions d'années-lumière de côté. Outre l'émission très faible du gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) inter-galactique, on devine de multiple sources ponctuelles qui sont des galaxies formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) leurs premières étoiles.
© Jeremy Blaizot / projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) SPHINX (Le Sphinx est une créature fantastique présente dans plusieurs traditions mythologiques,...)

La structure filamentaire du gaz d'hydrogène dans lequel se forment les galaxies, appelée toile cosmique, est l'une des grandes prédictions du modèle du Big Bang et de la formation des galaxies [figure 1]. Jusqu'à présent, la connaissance que nous en avions était limitée à quelques zones particulières, notamment en direction de quasars: ceux-ci agissent comme des phares de voiture, leur puissant rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) révélant les nuages de gaz le long de la ligne de visée. Cependant, ces régions sont peu représentatives de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) des filaments où sont nées la plupart des galaxies, dont la nôtre. Observer directement la faible lueur du gaz formant ces filaments était un Graal, auquel vient d'accéder une équipe internationale dirigée par Roland Bacon, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) au Centre de recherche astrophysique de Lyon (CNRS/Université Lyon 1/ENS de Lyon).

L'équipe a fait le pari de pointer, sur une unique région du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) pendant plus de 140 heures (L'heure est une unité de mesure  :), le Very Large Telescope de l'ESO, équipé de l'instrument MUSE couplé au système d'optique adaptative (L'optique adaptative est une technique qui permet de corriger en temps réel les déformations...) du télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant...): ensemble, ces instruments forment l'un des systèmes les plus performants au monde (Le mot monde peut désigner :). La région choisie fait partie du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport...) profond de Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en...), qui était jusqu'à présent l'image la plus profonde du cosmos jamais obtenue. Mais Hubble vient d'être détrôné puisque 40 % des galaxies découvertes grâce à MUSE n'ont pas de contrepartie dans les images de Hubble.


Figure 2: les 2250 galaxies du "cône" d'Univers observé par MUSE sont représentées ici en fonction de l'âge de l'Univers (en milliards d'années). La période de l'Univers jeune (de 0,8 à 2,2 milliards d'années après le Big Bang), explorée dans cette étude, est représentée en rouge. Les 22 régions de sur-densité de galaxies sont marquées par des rectangles gris. Les 5 régions où des filaments ont été identifiés de manière la plus significative sont identifiées en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs...).
© Roland Bacon / David Mary

Il a fallu huit mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps...), après une planification (La planification est la programmation d'actions et d'opérations à mener) minutieuse, pour conduire cette campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés...) d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) hors norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un...). Puis une année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...) d'un long processus de traitement et d'analyse des données (L’analyse des données est un sous domaine des statistiques qui se préoccupe de la...), qui a permis de révéler pour la première fois la lueur des filaments d'hydrogène, et d'obtenir les images de plusieurs filaments tels qu'ils étaient 1 à 2 milliards d'années après le Big Bang, une époque clé pour comprendre comment les galaxies se forment à partir du gaz de la toile cosmique [figures 2 et 3]. Mais la plus grande surprise est venue lorsque l'équipe a réalisé, grâce à des simulations, que la lueur du gaz provenait d'une population jusqu'alors invisible de milliards de galaxies naines donnant naissance à de nombreuses étoiles [figure 4]. Ces galaxies sont trop faiblement lumineuses pour être détectées individuellement avec les moyens actuels, mais leur existence aura d'importantes conséquences pour les modèles de formation de galaxies, conséquences que les scientifiques commencent tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) juste à explorer.


Figure 3: un des filaments d'hydrogène (en bleu) découverts par MUSE dans le champ ultra-profond de Hubble. Il est situé dans la constellation du Fourneau, à 11,5 milliards d'années-lumière et s'étend sur plus de 15 millions d'années-lumière. L'image en arrière-plan est celle de Hubble.© Roland Bacon, David Mary, ESO et NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de...)


Figure 4: simulation cosmologique d'un filament composé de centaines de milliers de petites galaxies. L'image de gauche est celle du rayonnement produit par toutes les galaxies tel qu'il pourrait être observé in situ. L'image de droite montre le filament telle qu'il serait observé par MUSE. Même avec un très grand temps d'exposition, l'immense majorité des galaxies ne sont pas détectables individuellement, mais la lumière de toute ces petites galaxies est détectée comme un fond diffus, un peu comme la voie lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois...) quand on l'observe à l'oeil nu.
© Thibault Garel et Roland Bacon

Bibliographie:
The MUSE Extremely Deep Field: the Cosmic Web in Emission at High Redshift, Roland Bacon, David Mary, Thibault Garel, Jeremy Blaizot, Michael Maseda, Joop Schaye, Lutz Wisotzki, Simon Conseil, Jarle Brinchmann, Floriane Leclercq, Valentina Abril-Melgarejo, Leindert Boogaard, Nicolas Bouché, Thierry Contini, Anna Feltre, Bruno Guiderdoni, Christian Herenz, Wolfram Kollatschny, Haruka Kusakabe, Jorryt Matthee, Léo Michel-Dansac, Themiya Nanayakkara, Johan Richard, Martin Roth, Kasper B. Schmidt, Matthias Steinmetz, Laurence Tresse, Tanya Urrutia, Anne Verhamme, Peter M. Weilbacher, Johannes Zabl, et Sebastiaan L. Zoutendijk. Astronomy & Astrophysics, 18 mars 2021. DOI: 10.1051/0004-6361/202039887

Contacts:
- Roland Bacon - Chercheur CNRS - roland.bacon at univ-lyon1.fr
- Véronique Etienne - Attachée de presse CNRS - veronique.etienne at cnrs.fr

Notes
1 - MUSE, pour Multi Unit Spectroscopic Explorer, est un spectrographe 3D conçu pour explorer l'Univers lointain. Le Centre de recherche astrophysique de Lyon (CNRS/Université Claude Bernard-Lyon 1/ENS de Lyon) a été pilote dans sa construction.
2 - Autres laboratoires français impliqués: Laboratoire d'astrophysique de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Université/CNES), Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de recherche en astrophysique et planétologie (La planétologie est la science de l'étude des planètes. La discipline recouvre de nombreuses...) (CNRS/Université Toulouse III – Paul Sabatier/CNES).
3 - Lire cette actualité du 1er août 2017: Grâce à un nouveau dispositif, Muse devient un des instruments les plus puissants jamais construits pour l'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer...) au sol. https://insu.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/grace-un-nouveau-dispositif-muse-devient-un-des-instruments-les-plus-puissants-jamais
4 - La théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) en vigueur jusqu'à présent prédisait que c'était le fond diffus ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur...) cosmique (un fond lumineux très faible produit par l'ensemble des galaxies et des étoiles) qui, en chauffant le gaz des filaments, les faisait briller.
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