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Astrophysique

L'amas de galaxies SDSS J1531+3414 sous l'effet d'une lentille gravitationnelle photographié en lumière RGB et IR par le HST en 2013.

Les découvertes récentes (I)

Avec l'avènement de l'astronomie spatiale, les astrophysiciens ont eu l'opportunité d'étudier l'univers à travers tout le spectre des rayonnements, des ondes radios aux rayons X et gamma en passant par les lumières visible et infrarouge notamment.

Si certaines observations ont renforcé les théories, d'autres ont forcé les astronomes à revoir leurs théories et parfois les modèles cosmogoniques.

Concernant les galaxies et les autres objets du ciel profond, devant l'accumulation des découvertes parfois en désaccord avec les hypothèses de travail ou contredisant d'autres observations, les astrophysiciens ont bien dû constater que l'univers était loin d'être le lieu sombre et figé pour l'éternité qu'on imaginait encore il y a un siècle.

Depuis quelques décennies, les astrophysiciens ont découvert que non seulement l'univers est peuplé d'une grande variété d'astres plus ou moins calmes ou turbulents mais qu'il contient également des substances plus intriguantes comme la matière noire et l'énergie sombre dont les effets sont avérés. On y reviendra quand nous aborderons la cosmologie.

Ce sont quelques unes de ces découvertes récentes faites en astrophysique que nous allons décrire. Certaines d'entre elles feront probablement l'objet de nouveaux articles dès que le sujet se sera étoffé, d'autres ayant déjà été incorporées dans différents articles.

Découverte de six candidates "galaxies sombres"

Une équipe internationale d'astronomes dirigée par Raffaella Anna Marino et Sebastiano Cantalupo du Département de physique de l'ETH à Zurich a découvert six candidates de galaxies dites sombres (dark galaxies), c'est-dire pratiquement dépourvues d'étoiles. Les résultats de leur étude furent publiés en 2018 dans l'"Astrophysical Journal" (en PDF sur arXiv).

Malgré les progrès théoriques réalisés depuis plus d'un demi-siècle dans la compréhension de la formation des galaxies, d'importantes questions demeurent en suspens concernant la manière dont le gaz diffus contenu dans le milieu intergalactique fut converti en étoiles. Des modèles galactiques récents suggèrent que pendant la phase initiale de la formation des galaxies, celles-ci étaient très riches en gaz mais aucune n'était capable de former des étoiles : c'est la phase de "galaxie sombre". Bien que ces galaxies contenaient des nuages d'hydrogène que l'on peut encore observer sur certaines raies spectrales, leur température et leur densité ne permettaient pas (encore) la formation d'étoiles et parfois leur quantité de gaz était insuffisante.

Sachant que les galaxies ne se sont pas toutes formées en même temps mais à différents décalages spectraux ou distances, les astronomes s'attendaient à découvrir ces galaxies à n'importe quel décalage vers le rouge. Mais du fait que ces galaxies ne sont pas visibles à travers leur rayonnement stellaire, elles sont difficiles à détecter avec les instruments actuels.

Pour surmonter cette difficulté, les chercheurs ont utilisé l'écran de lumière produit par les quasars situés à l'arrière-plan des sources suspectes (d'abord considérées comme des Émetteurs Lyman Alpha ou LAE avant d'affiner leur identité). En effet, les quasars émettent une lumière ultraviolette intense qui induit une émission fluorescente des atomes hydrogène connue sous le nom de raie Lyman α (Ly-α), une raie d'émission typique de l'hydrogène ionisé (sa recombinaison électronique des niveaux 2 à 1). Grâce à ce mécanisme, l'émission des galaxies sombres situées dans notre ligne de visée et dans le voisinage du quasar peut-être détectée jusqu'à de grandes distances (z~9 ou 13.17 milliards d'années-lumière) comme l'a expliqué Kim Nilsson de l'ESO dans une étude publiée en 2007 (en PDF sur arXiv). C'est aussi la raison pour laquelle on les appelle des galaxies "sombres" et non pas "noires" puisqu'elles rayonnent en UV.

L'une des candidates de galaxie sombre identifiée grâce aux données spectrales (raie Ly-α à gauche) et d'images optiques reflétant l'émission de gaz (au milieu) et le rayonnement stellaire (à droite). La position de l'objet suspect est marquée par le cercle rouge. Document R.A.Marino et al./ESO/MUSE.

Pour découvrir ces galaxies sombres, les astronomes ont utilisé le spectrographe à champ intégral MUSE (Multi-Unit Spectroscopic Explorer) installé sur le télescope VLT UT4 de l'ESO et corrobé ses données avec des images monochromatiques prises dans la raie Ly-α. Au repos, cette raie d'émission se situe dans l'ultraviolet à 121.56 nm (X-UV). En raison de l'expansion de l'univers, dans l'une de ces galaxies sombres présentée ci-dessus, cette raie est décalée vers le rouge et se trouve à ~573 nm, en plein spectre visible (partie jaune). Cette galaxie se situe à z ~ 3.5 soit plus de 11.8 milliards d'années-lumière et est plus éloignée que les précédentes candidates détectées à z ~2.4 ou ~11 milliards d'années-lumière. Parmi plus de 150 Émetteurs Lyman Alpha étudiés par les astronomes, ils ont donc eu beaucoup de chances de détecter 6 galaxies sombres.

La découverte de telles galaxies valide les modèles théoriques et comble donc une lacune importante dans notre compréhension de l'évolution des galaxies.

Trop d'étoiles massives dans les galaxies à sursauts d'étoiles (starbursts)

En étudiant quatre galaxies à sursauts d'étoiles dites "starbursts" riches en gaz et poussière dans l'univers très lointain au moyen du réseau submillimétrique ALMA installé en Atacama, l'astronome Zhi-Yu Zhang de l'Université d’Edimbourg et ses collègues ont constaté que ces jeunes galaxies produisaient trop d'étoiles massives (> 8 M) par rapport à ce que prédisent les modèles actuels.

En théorie, dans ces galaxies le taux moyen de formation stellaire est 100 fois supérieur à celui de notre Galaxie (100 contre 1 étoile par an dans la Voie Lactée). En mesurant le rapport d'abondance de différents isotopes dont 12CO/13CO et 18O/13C dont l'origine est distincte (les étoiles massives créent davantage de 18O alors que les étoiles de plus faible masse produisent davantage de 13C), les chercheurs ont pu utiliser ces données comme les archéologues utilisent le 14C pour dater les fossiles. En effet, en connaissant les proportions des différentes population stellaires naissant dans une galaxie et leur composition chimique, ils ont découvert que dans ces galaxies le rapport 18O/13C est très élevé et se traduit par une production d'étoiles 10 fois plus élevée que dans les galaxies semblables à la Voie Lactée. Cela signifie que ces galaxies à sursauts d'étoiles contiennent proportionnellement beaucoup plus d'étoiles massives qu'on s'y attendait. Les résultats de cette étude furent publiés en 2018 dans la revue "Nature".

Cette observation renforce une autre découverte faite par une équipe dirigée par Fabien Schneider de l'Université d'Oxford au moyen du VLT de l'ESO qui analysa par spectroscopie 800 étoiles du complexe 30 Doradus situé dans le Grand Nuage de Magellan (LMC) afin de cartographier la distribution de l'âge des étoiles en fontion de leur masse. Il s'avère que dans le LMC qui cette fois est une galaxie très proche, les étoiles de plus de 30 M sont 30% plus nombreuses que prévu tandis que les étoiles de plus de 60 M sont même 70% plus nombreuses que prévu. Selon Schneider, ces résultats indiqueraient que le seuil de 150 M considéré comme la valeur maximale d'une jeune étoile massive sur la Séquence principale pourrait être porté à 300 M !

Ces deux résultats concordant à travers les temps cosmiques remettent en question les modèles actuels d'évolution des galaxies ainsi que notre compréhension de l'évolution des étoiles et de la création des éléments chimiques.

Les premières étoiles ionisant l'Univers 180 millions d'années après le Big Bang

Après plus de dix années de recherches, Judd D. Bowman de l'Université d'Arizona et ses collègues ont annoncé en 2018 dans la revue "Nature" qu'ils avaient découvert les traces des premières étoiles ionisant l'Univers 180 millions d'années seulement après le Big Bang, un record !

Rappelons qu'à cette époque primordiale l'Univers ne contenait pas encore de galaxies, de supernovae ou de quasars. L'espace était principalement composé de nuages d'hydrogène neutre (région HI) baignant dans un rayonnement diffus omniprésent issu du Big Bang. Au fil du temps, ces nuages de gaz se sont refroidis et la gravité provoqua leur effondrement et la formation des premières étoiles. Il s'agit d'étoiles géantes bleues très chaudes de Population III composées exclusivement d'hydrogène.

Profil radio de la raie d'absorption à 21 cm détectée par l'équipe de J.D.Bowman. L'absorption à z~18 est deux fois plus importante que le prévoient les modèles. 

Lorsque ces étoiles primordiales ont commencé à briller, elles ont irradié l'espace de rayonnement ultraviolet très intense. Cela provoqua l'excitation des atomes d'hydrogène neutre, formant les premiers nuages d'hydrogène ionisé (région HII). Après avoir absorbé l'énergie du rayonnement, pour retrouver leur stabilité et leur état de moindre énergie, ces atomes d'hydrogène ionisé ont dû émettre un rayonnement radioélectrique particulier sur la fréquence d'environ 1420 MHz ou 21 cm de longueur d'onde. Mais étant donné que l'Univers est en expansion, les ondes électromagnétiques subissent un effet Doppler et sont détendues. Autrement dit, elles présentent une longueur d'onde supérieure (ou une fréquence inférieure). Selon les modèles, cette transition atomique de l'atome d'hydrogène doit s'observer dans le rayonnement X-UV Lyman-α mais avec un décalage Doppler ou redshift z~20, ce qui correspond à une fréquence proche de 100 MHz (cf. la théorie du Big Bang pour la détection de la raie Ly-α dans le spectre infrarouge des quasars à z=8).

En théorie, si les astronomes détectent une raie d'absorption (ou l'émission radioélectrique) correspondant à cette fréquence, ils auront la preuve de l'existence de ce processus et indirectement de l'existence des premières étoiles.

Pour trouver ce signal, l'équipe de chercheurs utilisa un spectromètre radio installé à l'Observatoire de Radioastronomie Murchison (MRO) en Australie occidentale présenté ci-dessous. Dans le cadre de l'expérience EDGES (Experiment to Detect the Global EoR Signature), l'équipe enregistra l'émission radioélectrique du ciel austral. Ensuite, ils analysèrent les données à la recherche d'infimes fluctuations de la température de brillance, c'est-à-dire de la puissance du signal en fonction de la fréquence en espérant trouver une déflection ou absorption significative.

Initialement, l'équipe recherchait des fréquences un peu plus élevées, correspondant à des époques cosmiques plus récentes, mais en 2015 elle étendit ses recherches vers des fréquences plus basses et donc des évènement survenus plus tôt dans l'histoire de l'Univers.

C'est alors qu'ils découvrirent un raie d'absorption importante à environ 78 MHz présentant un redshift z=19.7. Ainsi que le rapporte Bowman, "Nous avons détecté un profil d'absorption aplati dans le spectre radioélectrique moyenné du ciel qui est centré sur la fréquence de 78 MHz avec une largeur de 19 MHz et une amplitude de 0.5 K. Le profil est en grande partie conforme aux attentes pour le signal de 21 cm induit par les premières étoiles. Cette fréquence correspond à environ 180 millions d'années après le Big Bang. En termes de détection directe d'un signal provenant du gaz d'hydrogène lui-même, il s'agit du plus ancien."

Cette découverte de la trace d'hydrogène ionisé par le rayonnement des premières étoiles fut accompagnée par la mise en évidence de façon tout à fait fortuite de la véritable nature de la matière noire. En effet, la raie d'absorption détectée est plus de deux fois plus importante que les prédictions des modèles les plus optimistes. Dans un article publié dans le même numéro de la revue "Nature" en 2018, l'astronome Renna Barkana de l'Université de Tel Aviv estime que cela signifie que le signal fut perturbé par une autre composante qui provoqua un refroidissement de la matière plus important que prévu. Soit les astronomes ne tiennent pas compte d'une composante inconnue essentielle de l'univers primordial soit ils ont détecté indirectement la première trace de la matière noire qui selon les modèles absorbe l'énergie de la matière ordinaire.

A gauche, le spectromètre radio LOW-1 de l'expérience EDGES utilisé par les chercheurs pour détecter l'émission du gaz ionisé primordial à 78 MHz. Le récepteur radio se compose de deux plaques rectangulaires faisant office d'antenne, l'ensemble étant fixé sur des montants en fibre de verre posés sur un treillis métallique. A droite, illustration artistique des premières étoiles bleues et chaudes ionisant le gaz présent dans l'Univers 180 millions d'années après le Big Bang. Documents CSIRO et T.Lombry.

En apprenant la réponse de Barkana, Bowman a toutefois relativisé sa propre découverte en rappelant "qu'un autre groupe la confirme de manière indépendante est un élément essentiel du processus scientifique."

Afin de confirmer cette découverte, les chercheurs ont l'intention d'installer de nouveaux radiotélescopes, tels HERA (l'Hydrogen Epoch of Reionization Array) et l'OVRO-LWA (Owens Valley Long Wavelength Array). Ce projet constitue un défi car les sources de bruit peuvent être mille fois plus lumineuses sur le plan radioélectrique que le signal qu'ils recherchent, ce qui équivaut à détecter le chant d'un oiseau au milieu d'un ouragan ! Mais à présent ils connaissent le profil et la puissance du signal, ce qui est déjà un avantage pour le tuning du futur récepteur et de son antenne. Affaire à suivre.

Une galaxie à Z=9.1 et preuve de la formation d'étoiles 250 millions d'années après le Big Bang

Une équipe internationale d'astronomes dirigée par Takuya Hashimoto de l’Université Sangyo d’Osaka et de la NOAJ annonça en 2018 dans la revue "Nature" avoir détecté grâce au réseau ALMA installé en Atacama une faible émission d'oxygène ionisé dans la galaxie MACS1149-JD1 située à z=9.1 soit 13.28 milliards d'années-lumière. Il s'agit de l'une des galaxies les plus éloignées sinon la plus éloignée découverte à ce jour avec EGSY8p7 et GN-z11. On y reviendra à propos des galaxies les plus lointaines.

On sait que le nombre de galaxies capable de former des étoiles diminue vers les redshifts d'environ 6 à 10, mais la question clé est de savoir jusqu'à quelle distance ou quand les premières étoiles se sont formées.

On sait que peu après le Big Bang, l’Univers est resté totalement dépourvu d’oxygène pendant des millions d'années. En effet, la création de cet élément n'a pu se produire qu'au cours d'un processus de nucléosynthèse au sein des premières étoiles et juste avant que cet élément ne soit dispersé par l'explosion des étoiles massives.

A gauche, image visible de la galaxie MACS1149-JD1 située à 13.28 milliards d'années-lumière obtenue par le HST avec dans l'agrandissement l'image radio de la distribution de l'oxygène ionisé (colorisé en vert) obtenue par ALMA. A droite, le spectre micro-ondes des ions d'oxygène détectés dans MACS1149-JD1 avec ALMA. A l'état stationnaire, la raie se trouve dans l'infrarouge à 88 microns. Or ALMA l'a détectée dans la bande des micro-ondes à 893 microns; son décalage Doppler ou redshift Z=9.1. Documents ALMA/NAOJ/ESA/NASA/T.Hashimoto et al. (2018).

La présence d’oxygène à cette époque primordiale est la preuve qu'une population d'étoiles d'âge avancé existait déjà à cette époque et libéra de l'oxygène 500 millions d'années après le Big Bang. La première génération d'étoiles s'est donc formée avant cette galaxie. Pour déterminer quand cela s'est produit, les astronomes ont analysé le décalage Doppler de la raie de l'oxygène et ont comparé les résultats avec les données du Télescope Spatial Hubble et du Spitzer ainsi qu'avec une modélisation. Les résultats ont montré que le rayonnement visible de l'oxygène provient d'une source stellaire qui s'est formée environ 250 millions d'années seulement après le Big Bang, ce qui correspond à un redshift Z ~ 15.

Grâce au VLT de l'ESO, les astronomes ont également détecté une faible émission d’hydrogène qui a permis de confirmer la distance de la galaxie comme étant la plus lointaine observée à ce jour au moyen d’ALMA ou du VLT.

Selon Nicolas Laporte de l'University College de Londres (UCL) et coauteur de cet article, cette galaxie va permettre aux astrophysiciens d'étudier une époque primordiale encore totalement inexplorée du jeune Univers.

Reste une question ouverte : à quelle époque les galaxies ont-elles émergé de ce qu'on appelle "l'aube cosmique" ? D'ores et déjà, l’âge de MACS1149-JD1 a permis de démontrer que les galaxies existaient antérieurement à celles que nous détectons actuellement au moyen de méthodes directes.  Mais l'âge de cette aube cosmique reste un défi vu les limites des technologies actuelles même si on se rapproche de la "première lumière".

Pour conclure, Hashimoto confirma que la découverte d'étoiles à une époque aussi précoce a repoussé une nouvelle fois les limites de l’univers observable, un petit pas de plus vers l'aube des Temps.

SPT0615-JD, une galaxie candidate à z~10

Dans une étude publiée en 2018, une équipe de trente astronomes dirigée par le postdoctorant Brett Salmon du STScI a annoncé la découverte d'une galaxie située vers z~10 qui est aujourd'hui la galaxie la plus éloignée étudiée par les astronomes.

La jeune galaxie SPT0615-JD découverte grâce au sondage RELICS du STScI s'est formée 500 millions d'années après le Big Bang. Document STScI.

SPT0615-JD tel est le nom de cette galaxie a été identifiée dans le cadre du sondage RELICS (Hubble's Reionization Lensing Cluster Survey) du STScI combinant les performances de deux télescopes spatiaux, Hubble pour la partie visible et Spitzer pour l'infrarouge. Ce sondage vise à étudier les galaxies lointaines grâce à l'effet de lentille gravitationnelle produit par les amas de galaxies situés dans la ligne de visée.

Dans le cas présent, les chercheurs ont analysé 41 amas de galaxies massives à la recherche de lentilles gravitationnelles. L'un de ces amas est SPT-CL J0615-5746. En combinant les données des deux télescopes spatiaux, comme on le voit à droite les chercheurs ont découvert l'image déformée d'une galaxie rouge s'étendant sur 2" d'arc cataloguée SPT0615-JD. L'analyse spectrale révèle un redshift d'environ z~10, ce qui correspond à une distance de 13.3 milliards d’années-lumière. Autrement dit, nous l'observons donc telle qu'elle était 500 millions d'années après le Big Bang.

Cette galaxie présente une magnitude intrinsèque (corrigée de l'effet de lentille gravitationnelle) en bande H (1.45-1.8 μm) d'environ +27.6. Sa masse ne dépasse pas 3 milliards de masses solaires soit moins de 1/200e de la masse de la Voie Lactée pour un diamètre d'environ 2500 années-lumière, soit la moitié de la taille du Petit Nuage de Magellan. L'objet est donc une galaxie naine produisant des étoiles, en fait le prototype des jeunes galaxies qui sont apparues peu après le Big Bang.

Cette galaxie d'une taille angulaire appréciable sera l'un des premiers objectifs du télescope JWST qui sera cent fois plus puissant que le Télescope Spatial Hubble.

Notons qu'en 2017, grâce au sondage RELICS, Salmon et ses collègues avaient déjà découvert 321 galaxies candidates à haut redshift (6 < z < 8 , MH +23) dans cette même région du ciel couvrant environ 14x14'.

De la poussière et de l'oxygène 600 millions d'années après le Big Bang

Une équipe internationale d’astronomes dirigée par Nicolas Laporte de l’University College de Londres a observé en 2016 au moyen de l'installation radiointerférométrique ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) installée dans le désert d'Atacama au Chili, une galaxie référencée A2744_YD4, la plus jeune et la plus lointaine détectée à ce jour par cet instrument.  Les mesures spectrographiques réalisées avec l'instrument X-Shooter du VLT de l'ESO indiquent que cette galaxie se situe à z=8.38 soit environ 13.2 milliards d'années-lumière et s'est donc formée 600 millions d'années seulement après le Big Bang.

La galaxie A2744_YD4 située à z=8.38 observée par le VLT derrière l'amas de Pandore, Abell 2744. Document ESO.

Les observations de la galaxie A2744_YD4 ont été rendues possibles par l'exploitation de l'effet de lentille gravitationnelle généré par l'amas de galaxies de Pandore, alias Abell 2744 situé à l'avant-plan qui a magnifié l'image de la galaxie A2744_YD4 située 1.8 fois plus loin.

A l'étonnement des astronomes, A2744_YD4 contient déjà beaucoup de poussière. La détection de cette poussière est une prouesse technique sachant que ces particules ont une taille oscillant entre le nanomètre et une fraction de micron soit moins d'un millième de millimètre. De plus, elles sont froides (quelques dizaines de Kelvins) et donc difficiles à détecter.

La présence d'une grande quantité de poussière à une époque si reculée signifie obligatoirement qu'un certain nombre d'étoiles ont dû exploser en supernovae pour la fabriquer. Les analyses ont révélé que cette poussière est principalement constituée de silicium, de carbone et d’aluminium, des ingrédients qu'on retrouve dans le système solaire. On en déduit que 600 millions d'années après le Big Bang, des supernovae de deuxième génération avaient déjà "pollué" l'environnement galactique, succédant aux explosions des premières étoiles supermassives (population III).

Selon les chercheurs, la galaxie A2744_YD4 contient une quantité de poussière estimée à 6 millions de masses solaires pour une masse stellaire estimée à 2 milliards de masses solaires. Tout en étant une très petite galaxie en terme de masse, son taux de formation stellaire atteint 20 masses solaires par an (contre environ 3 masses solaires par an au sein de la Voie Lactée), ce qui représente un rythme soutenu de formation stellaire et de poussière.

Grâce à ALMA, les astronomes ont par ailleurs détecté dans l'infrarouge lointain à 88 μm soit 3406.7 GHz l’émission d’oxygène ionisé [OIII] au sein de la galaxie A2744_YD4. Cet élément lourd s'est formé au cours de la nucléosynthèse au coeur des étoiles et s'est ensuite dispersé dans l'espace lors de l'explosion des supernovae. Il s’agit de la détection la plus lointaine et la plus ancienne de cet élément dans l’Univers, battant le précédent record établit en 2016 (voir ci-dessous).

La formation des étoiles au sein de cette galaxie débuta quelque 200 millions d’années avant l’époque à laquelle nous l’observons aujourd’hui. Ces observations ouvrent donc une fenêtre sur cette période primordiale où les premières étoiles et galaxies se sont "allumées", la plus ancienne époque observée à ce jour.

La détermination de la période à laquelle l’Univers baignait dans la lumière issue des toutes premières étoiles chaudes (Population III) appelée l'"aube cosmique" constitue l’un des premiers objectifs de l'astrophysique moderne. L’étude de la poussière interstellaire générée par l'explosion des premières supernovae en est une source indirecte.

Deuxième partie

De l'oxygène il y a 13 milliards d'années

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