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.
ESO PR Photo 1013a - Le champ GOODS-Sud - credit: ESO/M. Hayes
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
[1] 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.
[2] 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.
[3] 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.
Plus d’informations
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.).
L’équipe est composée de Matthew Hayes, Daniel Schaerer et Stéphane de Barros (Observatoire Astronomique de l’Université de Genève, Suisse), Göran Östlin et Jens Melinder (Stockholm University, Suede), J. Miguel Mas-Hesse (CSIC-INTA, Madrid, Espagne), Claus Leitherer (Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA), Hakim Atek et Daniel Kunth (Institut d’Astrophysique de Paris, France), et Anne Verhamme (Oxford Astrophysics, Royaume Uni).
L’ESO – l’Observatoire Européen Austral – est la première organisation intergouvernementale pour l’astronomie en Europe et l’observatoire astronomique le plus productif au monde. L’ESO est soutenu par 14 pays : l’Allemagne, l’Autriche, la Belgique, le Danemark, l’Espagne, la Finlande, la France, l’Italie, les Pays-Bas, le Portugal, la République Tchèque, le Royaume-Uni, la Suède et la Suisse. L’ESO conduit d’ambitieux programmes pour la conception, la construction et la gestion de puissants équipements pour l’astronomie au sol qui permettent aux astronomes de faire d’importantes découvertes scientifiques. L’ESO joue également un rôle de leader dans la promotion et l’organisation de la coopération dans le domaine de la recherche en astronomie. L’ESO gère trois sites d’observation uniques, de classe internationale, au Chili : La Silla, Paranal et Chajnantor. A Paranal, l’ESO exploite le VLT « Very Large Telescope », l’observatoire astronomique observant dans le visible le plus avancé au monde et VISTA, le plus grand télescope pour les grands relevés. L’ESO est le partenaire européen d’ALMA, un télescope astronomique révolutionnaire. ALMA est le plus grand projet astronomique en cours de réalisation. L’ESO est actuellement en train de programmer la réalisation d’un télescope européen géant – l’E-ELT- qui disposera d’un miroir primaire de 42 mètres de diamètre et observera dans le visible et le proche infrarouge. L’E-ELT sera « l’œil tourné vers le ciel » le plus grand au monde.
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Source: ESO
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