De nouvelles galaxies sombres découvertes au fond de l'Univers
Publié par Redbran le 18/03/2019 à 14:00
Source: CEA-IRFU

Le grand interféromètre ALMA révèle une nouvelle population de galaxies

Une équipe internationale, menée par des chercheurs du Département d'Astrophysique/Laboratoire AIM du CEA-Irfu vient de mettre en évidence une nouvelle population de galaxies très lointaines, qui avaient jusqu'à présent échappé aux observations (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...) les plus profondes de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Durant l'été 2016, à plus de 5000 mètres d'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes...) sur les hauts plateaux chiliens, les antennes du grand interféromètre ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) ont scruté pendant plus de 20 heures une des régions les mieux étudiées du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.). Ces observations y ont révélé des galaxies encore inconnues, très massives mais opaques, n'émettant que très peu de lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.) en raison d'une grande 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.) de poussières. Ces galaxies "sombres", très lointaines, qui pourraient être les progénitrices des galaxies les plus massives de l'univers, révèlent que l'ampleur de la formation des étoiles au cours des premiers milliards d'années de l'histoire cosmique pourrait avoir été jusqu'à présent largement sous estimée. Ces travaux viennent d'être publiés dans la revue Astronomy & Astrophysics.

Les observations les plus profondes de l'Univers

Comprendre la formation et l'évolution des galaxies requiert des observations extrêmement profondes de l'Univers, afin de pourvoir capter 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...) en provenance des galaxies très lointaines qui se sont formées au début de l'Univers. Dans le cadre d'un large consortium international, les chercheurs du CEA ont utilisé l'interféromètre ALMA pour observer le centre d'une région du ciel dénommée " GOODS-Sud", un des champs cosmologiques les mieux explorés à l'heure (L'heure est une unité de mesure  :) actuelle. Cette région de 70 arcmin2 couvre seulement un dixième de 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...) de la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du système solaire avec un diamètre de 3 474 km. La distance moyenne séparant la...), ce qui représente environ la surface du ciel couverte par la mine d'un crayon à papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de feuilles minces et...) tenu à bout de bras. Elle a déjà été observée par de nombreux télescopes spatiaux et terrestres, couvrant une large gamme de longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de...), depuis les rayons-X jusqu'aux ondes radio, avec notamment les images obtenues par les télescopes spatiaux 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...), Herschel, Chandra (Le satellite Chandra est un télescope à rayons X. Il a été lancé en 1999 par la navette spatiale Columbia lors de la mission STS-93.) et Spitzer.
Au total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique le total n'est...), ce sont plus de 20 000 galaxies qui ont été répertoriées dans cette région test du ciel, ce qui en fait un laboratoire de premier plan pour étudier l'évolution des galaxies.


A gauche: réseau des antennes de ALMA au Chili. A droite: représentation de la taille du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) GOODS-Sud, montrant les limites du champ profond Chandra (en rayons X), du champ profond et ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT),...) profond (HUDF) Hubble (visible et infrarouge) et du champ ALMA (millimétrique). La surface couverte par ALMA est de 7x10 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur le terrain. ...) d'arc.

ALMA révèle l'inconnu

ALMA, contrairement au télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique permettant d'augmenter la...) Hubble, ne détecte pas directement la lumière émise par les étoiles. Observant aux longueurs 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 matière. Une onde transporte aussi...) millimétriques, ALMA est sensible au rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) émis par les grains de poussière du milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre les étoiles et leur environnement proche. Ce gaz est habituellement extrêmement ténu, avec des densités typiques allant de 10 à 100...) qui absorbent le rayonnement des jeunes étoiles. Ainsi, des galaxies massives contenant une forte quantité de poussière peuvent être rendues opaques par celle-ci et devenir indétectables par des télescopes observant dans le visible, tandis qu'elles peuvent ressortir dans des longueurs d'onde millimétriques. La force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf....) d'ALMA vient de l'utilisation d'un réseau d'antennes, espacées les unes des autres ce qui permet d'obtenir des images de haute résolution, même aux longueurs d'onde importantes du domaine millimétrique.
Vingt galaxies ont ainsi été découvertes par ALMA dans la région GOODS-Sud. Ce sont parmi les plus massives et plus lointaines des galaxies de cette région du ciel. Quatre d'être-elles, soit 20% de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) n'étaient pas vues par le télescope Hubble: ce sont des galaxies "sombres", vues ainsi pour la première fois.



Masses de toutes les galaxies détectées dans la région GOODS-Sud (exprimées en masses solaires) en fonction du décalage spectral vers le rouge montrant leur distance. Les détections ALMA pour lesquelles la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force...) et le décalage spectral ont pu être déterminés sont indiquées en rouge. Ce sont parmi les plus massives. Parmi ces sources, les galaxies non détectées 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 nommé en l'honneur de l'astronome...) sont indiquées avec des cercles

Pour deux des quatre galaxies détectées par ALMA mais non visibles par le télescope Hubble, une distance a pu être estimée. Il s'agit dans les deux cas des galaxies les plus lointaines de notre échantillon et nous les voyons telles qu'elles étaient il y a plus de 12 milliards d'années, soit moins de 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 environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui la...).

Pour connaître plus précisément la proportion de ces galaxies sombres qui a échappé jusqu'ici à la détection par le télescope Hubble, de nouvelles observations de champs profonds du ciel seront nécessaires. 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...) donné par cette étude (20%) suggère que le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de ces galaxies pourrait être beaucoup plus important que prévu dans l'univers lointain et l'histoire cosmique de la formation des galaxies risque d'en être profondément modifiée.


Exemple de deux galaxies découvertes par ALMA mais invisibles pour le télescope Hubble. Les contours blancs représentent la lumière millimétrique détectée par ALMA, superposée à une image profonde de Hubble. A gauche: le rayonnement millimétrique ALMA est centré à moins de 0.4 seconde d'arc d'une 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 autres Galaxie, cette fois au singulier.) proche 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 Hubble mais la résolution de ALMA permet de montrer que le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus...) ALMA ne coïncide pas avec cette 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 en son centre.). A droite: sur l'image, aucun flux visible n'est détecté par le satellite (Satellite peut faire référence à :) Hubble à la position de la source ALMA.

Référence publication:

“GOODS-ALMA: 1.1 mm galaxy survey. I. Source catalog and optically dark galaxies”,
Franco et al., 2018, Astronomy & Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude...) 620, 15

Contact chercheur:
- Maximilien Franco - CEA-IRFU
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