Astrophysique

Les découvertes récentes (II)

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

Une équipe d'astronomes japonais dirigée par Akio K.Inoue de l'Université d'Osaka-Sandai a publié une étude en 2016 à propos de la galaxie à haut redshift SXDF-NB1006-2 découverte en 2012 grâce au télescope Subaru de 8.2 m et située dans la constellation de la Baleine (Cetus) à 13 ±1 milliards d'années-lumière (z=7.213).

En exploitant les données de l'installation radioastronomique ALMA, les chercheurs ont découvert dans le spectre de cette galaxie primordiale la raie Lyman α (raie X-UV à 121.5668 nm au repos correspondant à la recombinaison de l'hydrogène ionisé) indiquant que cette galaxie est enveloppée dans un halo d'hydrogène ionisé, le signe que les étoiles dont elle est constituée ont déjà suffisamment d'énergie pour arracher les électrons des atomes dans cette région reculée de l'univers.

Des nouvelles observations réalisées dans l'infrarouge lointain à 88 μm ont permis de découvrir dans le spectre de SXDF-NB1006-2 la raie interdite de l'oxygène ionisé [OIII]. L'abondance de l'oxygène dans cette galaxie est estimée à 10% de celle du Soleil et correspond aux valeurs prédites par les simulations. Cette découverte indique donc qu'à cette époque cette galaxie était déjà suffisamment âgée pour qu'une première génération d'étoiles naissent, évoluent et meurent. Etant donné que l'oxygène est ionisé, les astronomes pensent que cette galaxie abrite un certain nombre de jeunes étoiles géantes plusieurs dizaines de fois plus massives que le Soleil. Ces jeunes étoiles géantes et chaudes seraient à l'origine de l'intense rayonnement UV enregistré par le télescope UKIRT.

A gauche, le champ de la galaxie SXDF-NB1006-2 située à 13.1 milliards d'années-lumière dans la constellation de la Baleine. Il s'agit d'un composite couleur obtenu au cours du sondage Subaru XMM-Newton Deep Survey (SXDS). Au centre, le profil des raies d'émission [OIII] et Ly-α. La densité de flux F est normalisée par une unité de 10-18 erg/s/cm2/Å. L'émetteur de la raie Lyman alpha qui correspond à la recombinaison de l'hydrogène ionisé se déplace à +110 km/s par rapport au halo d'oxygène ionisé. A droite, illustration artistique du halo d'oxygène ionisé (en vert) observé par le radiotélescope ALMA superposé à l'hydrogène ionisé (en bleu) observé par le télescope Subaru et à la lumière UV détectée par le télescope UK IR (en rouge). Documents ALMA (ESO/NOAJ/NRAO), NOAJ.

En revanche, les astronomes ont été surpris par la faible abondance de poussière. En effet, SXDF-NB1006-2 contient deux à trois fois moins de poussière que prévu. L'absence de halo infrarouge dans un large spectre de fréquences autour de cette galaxie suggère que cette région contient trop peu de poussière pour absorber et réemettre le rayonnement des étoiles (comme on le voit généralement dans les régions stellaires riches en nébuleuses ou en nuages moléculaires).

Pour expliquer ce manque de poussière, certains astronomes évoquent les ondes de chocs des explosions des supernovae qui pourraient avoir pulvérisé les grains en leurs constituants élémentaires. Une autre hypothèse serait liée à la température, au faiut qu'il y aurait peu de grains de poussière interstellaire dans les nuages denses et froid constituant cette galaxie car ces grains grandissent par coalescence et aggrégation (un peu comme les grains de glace forment les flocons de neige dans les nuages froids sur Terre; sans grains de glace servant de noyau de condensation, point de flocons).

L'absence de raie du carbone à 158 μm signifie également que cette galaxie contient des quantités anormalement faibles de gaz neutre. Ces caractéristiques pourraient permettre aux photons ionisants de s'échapper dans le milieu intergalactique. Ainsi, la faible abondance de poussière aurait facilité la réionisation en permettant à la lumière émise par cette galaxie d'ioniser les vastes nuages de gaz qui l'enveloppent. A ce titre, selon Inoue, "SXDF-NB1006-2 serait un prototype des sources lumineuses responsables de la réionisation cosmique".

Selon Yoichi Tamura de l'Université de Tokyo et coauteur de cette étude, "L'analyse de son spectre en haute résolution ainsi que de son rayonnement à d'autres longueurs d'ondes permettront de recueillir de précieuses informations pour mieux comprendre les propriétés de cette galaxie". Il est probable que de nombreuses autres galaxies du même âge présentent un halo d'oxygène ionisé. Leur étude permettra de préciser la manière dont les étoiles et les galaxies ont évolué dans l'univers primordial. Ce type d'étude devrait aussi aider les astronomes à identifier l'origine de la réionisation. En effet, selon Inoue "La source du processus de réionisation peut tout aussi bien être les étoiles massives que les trous noirs supermassifs. Cette galaxie ne semble pas abriter de trou noir supermassif mais un grand nombre d'étoiles massives. De telles étoiles pourraient avoir réionisé l'univers".

G09.83808, une nouvelle galaxie à z > 5

Après les galaxies SXDF-NB1006-2 et A2744_YD4 précitées, un nouveau membre rejoint le club fermé des galaxies les plus lointaines. En 2017, l'astronome Jorge A. Zavala de l’Université du Texas à Austin et son équipe ont annoncé dans les revues "Nature" et "MNRAS" la découverte de la galaxie G09.83808 à z=6.027 soit environ 12.8 milliards d'années-lumière, en pleine époque de réionisation de l'Univers.

Cette galaxie fut découverte grâce au télescope William Herschel (WHT) anglo-australien de 4.2 m installé à La Palma en Espagne en profitant de l'effet d'une lentille gravitationnelle. Mais l'image n'était pas assez détaillée. Son étude fut reprise au moyen du radiotélescope millimétrique LMT de 50 m de diamètre installé au Mexique en collaboration avec les réseaux de radiotélescopes SMA (Smithsonian Submillimeter Array) d'Hawaii, ALMA au Chili et le projet NOEMA de l'IRAM dont les paraboles sont installées en Espagne.

Ci-dessus à gauche, image de la galaxie G09.83808 reconstruite à partir des données d'ALMA et de NOEMA/IRAM. A droite, image la plus détaillée de la galaxie (à gauche) et le modèle de lentille gravitationnelle (à droite). Ci-dessous, le spectre de la galaxie. Documents Y.Fudamoto et al/MNRAS et Jorge A. Zavala et al.

G09.83808 évolue dans un Univers âgé de quelque 900000 ans. A cette époque, les galaxies éruptives qu'on surnomme "extreme starburst galaxies" étaient extrêmement productives, présentant un taux de formation stellaire d'au moins 1000 M par an soit mille fois plus rapide que les galaxies actuelles. Mais elles ne représentaient pas la population générale des galaxies qui comprenait également des galaxies riches en poussières dont fait partie G09.83808. Cette galaxie présente un taux de formation stellaire d'environ 380 M par an et les propriétés de ses gaz comme des poussières sont similaires à celles qu'on mesure dans les galaxies ULIRG (galaxies infrarouges ultra lumineuses) plus proches, ce qui élargit leur présence jusqu'à l'Univers primordial.

Notons que les chercheurs ont pu identifier dans son spectre (aux fréquences comprises entre 80 et 110 GHz) les raies du ¹²CO et même de l'eau (H₂O) comme on le voit ci-dessus. Précisons que le CO sert aussi à tracer les nuages d'hydrogène moléculaire.

Dix fois plus de galaxies que prévu dans la sphère observable

Selon les résultats d'une étude publiée le 14 octobre 2016 dans l'"Astrophysical Journal" (en PDF sur arXiv), Christopher J. Conselice de l'Université de Nottingham et son équipe ont estimé que "Le nombre de galaxies que l'on peut observer aujourd'hui grâce à la technologie HUDF (acronyme de Hubble Ultra-Deep Field) est de l'ordre de 2.47 ±0.4 x 10¹¹ soit environ 250 milliards de galaxies, sans tenir compte du facteur d'amplification des lentilles gravitationnelles et de l'extinction par le gaz et la poussière soit environ 250 milliards de galaxies, sans tenir compte du facteur d'amplification des lentilles gravitationnelles et de l'extinction par le gaz et la poussière". Cela comprend toutes les galaxies jusqu'à z~8 soit environ 13 milliards d'années-lumière.

Une petite région du ciel profond de l'hémisphère Sud photographiée par le Télescope Spatial Hubble. A gauche, une mosaïque d'images HD (le fichier de 18 mégapixels occupe 8 MB) prises avec la caméra ACS en 2004 et WFC3 en 2010 utilisées dans la cadre du sondage GOODS. Le champ s'étend sur 10' soit un tiers du diamètre de la Lune. L'image comprend environ 7500 galaxies identifiables dont les plus rouges se situent à environ 13 milliards d'années-lumière. A droite, une mosaïque de trois panneaux (la partie gauche est dans le tiers supérieur) publiée en 2016 (fichier de 16 MB). Documents NASA/ESA/STScI et al. et NASA/ESA/GOODS et al.

Toutefois, grâce au sondage GOODS, Conselice et ses collègues ont calculé "qu'il existe 2.0 ±0.6 x 10¹² galaxies dans l'Univers jusqu'à z=8 qu'on pourrait en principe observer". Cela représente 2 trillions de galaxies jusqu'à ~13 milliards d'années-lumière ! Cela signifie que la sphère observable contient 10 fois plus de galaxies que prévu mais elles sont trop pâles pour être visibles. Il faudra attendre de disposer de télescopes de plus grands diamètres pour les photographier. Cela implique que les astronomes n'ont détecté que 10% de la population réelle des galaxies, sans compter celles qui résident au-delà de l'horizon cosmologique.

Modèle d'ionisation de l'hydrogène des galaxies primordiales

Dans deux études publiées en septembre 2016 (cf. art.1 et art.2) Naveen A. Reddy de l'Université de Californie à Riverside (UCR) et ses collègues ont développé un modèle permettant de prédire le degré d'ionisation de l'hydrogène des galaxies primordiales (vers z=3 ou 2 milliards d'années après le Big Bang) sur base de leur rougissement spectral. Indirectement, ce modèle peut être utilisé pour fixer une contrainte sur le taux de production des photons ionisés à l'époque de la réionisation cosmique et mieux estimer la quantité de rayonnement qui s'est échappée durant les Âges Sombres. Il est important de le savoir car rappelons que c'est durant les Âges Sombres que se sont formées les galaxies.

Des étoiles de Population III et un trou noir par effondrement direct dans le quasar CR7

Cela fait des décennies que les astronomes ont supposé l'existence d'une première génération d'étoiles issue de la matière originelle créée lors du Big Bang. Tous les éléments lourds (c'est-à-dire plus lourd que l'hydrogène, tels l'oxygène, l'azote, le carbone, etc, jusqu'au fer) essentiels à la vie ont été créés à l'intérieur des étoiles. Cela signifie que les premières étoiles étaient constituées des seuls éléments précurseurs, à savoir l'hydrogène, l'hélium, et quelques traces de lithium.

Ces étoiles de Population III auraient été gigantesques, des centaines, voire des milliers de fois plus massives que le Soleil, elles étaient excessivement chaudes et éphémères. En raison de leur masse, elles ont explosé en supernovae après seulement deux millions d'années d'existence. Mais jusqu'à présent, aucune réelle preuve matérielle n'était venue étayer l'hypothèse de leur existence.

L'astrophysicien David Sobral de l'Institut d'Astrophysique et des Sciences Spatiales de l'Université de Leyde (Leiden) aux Pays-Bas et ses collègues ont utilisé le télescope VLT de 8.20 m pour sonder l'Univers primordial et remonter à l'époque de la réionisation, soit quelque 800 millions d'années après le Big Bang.

Plutôt que d'étudier une infime partie du ciel profond, avec ses collègues astronomes ils ont étendu leur champ d'observation et produit le sondage galactique le plus vaste jamais réalisé. Cette étude fit appel à toute la puissance des télescopes Keck, Subaru et au Télescope Spatial Hubble.

C'est au cours de cette étude que l'équipe a découvert le quasar CR7 (COSMOS Redshift 7) situé à 12.9 milliards d'années-lumière (z=7), un objet trois fois plus brillant que la galaxie primitive la plus lumineuse connue à ce jour !

Grâce aux instrumentations scientifiques équipant le VLT, les astronomes ont détecté une forte émission de la raie de l'hydrogène alpha et surtout la raie d'émission inattendue de l'hélium ionisé HeII à 164 nm au coeur de cet objet et, curieusement mais très révélateur, aucun signe de la présence d'éléments plus lourds. Or cette raie He II ne peut être émise que par un gaz porté à environ 100000 K irradié par un intense rayonnement UV. Autrement dit, selon Sobral et ses collègues, ils auraient découvert le premier véritable indice de l'existence d'amas d'étoiles de Population III responsables de l'ionisation du gaz contenu dans ce jeune quasar primitif. Cette découverte fut publiée le 17 juin 2015 sur le site de l'ESO.

Sobral et ses collègues ont également observé au sein de CR7 des amas d'étoiles de couleur plus bleue, parfois plus rouge, suggérant que les étoiles de Population III sont apparues par vagues successives – comme cela avait été prédit.

L'équipe a également observé la toute dernière vague d'étoiles de Population III. Ces étoiles massives et brillantes étaient encore récemment considérées comme des astres théoriques sont à l'origine de la création des tous premiers éléments lourds qui entrent dans la composition des étoiles de 2^e et 3^e générations qui peuplent aujourd'hui l'univers ainsi que de leurs cortèges planétaires et de la vie telle que nous la connaissons.

Ces étoiles seraient donc plus faciles à détecter qu'on le pensait jusqu'ici : elles résident parmi les étoiles ordinaires, au sein de galaxies brillantes, et pas seulement au cœur des galaxies primordiales de tailles réduites et de luminosités plus faibles, si faibles que leur étude s'avérait a priori extrêmement compliquée.

Mais comme nous l'avons expliqué à propos des différents types de trous noirs, une autre théorie a été proposée par Volker Bromm et ses collègues. Dans une étude publiée dans les "MNRAS" en 2016, ils proposent que CR7 serait le premier objet dans lequel un trou noir supermassif se formerait par effondrement direct (une théorie que les mêmes auteurs avaient déjà proposée en 2003 sur base de simulations de CR7). Depuis cette annonce, d'autres candidats au titre de trous noirs par effondrement direct ont été annoncés dans les "MNRAS". Dans ce cas, il s'agirait d'une nouveau type de trou noir supermassif mais ne se serait formé que dans l'univers primordial.

IC 1101, la galaxie la plus grande et la plus massive de l'Univers

Le 17 juin 1790, William F. Herschel découvrit une nébulosité pâle et arrondie d'environ 30" d'arc dans la constellation du Serpent (qui s'étend à travers l'équateur céleste près de la Vierge) présentant une magnitude apparente de 14.7.

Sans pouvoir l'identifier formellement mais présumant qu'il s'agissait d'un objet du ciel profond, ce n'est qu'un siècle plus tard, en 1895 que John L. Dreyer l'ajouta au catalogue des Nébuleuses et Amas d'Etoiles sous le numéro IC 1101.

Ce n'est qu'en 1932 et suite aux travaux d'Edwin Hubble sur les "nébuleuses extragalactiques" qu'une étude minutieuse d'IC 1101 permis de découvrir qu'il s'agissait en fait d'une galaxie elliptique de type E3 (mais classée cD, Cluster Diffuse, en raison de son aspect diffus au centre d'un amas). Des mesures plus récentes ont évalué sa distance à environ 1.07 milliards d'années-lumière et sa vitesse à environ 23370 km/s.

Grâce aux techniques modernes, sa masse et sa dimension ont été restimées. IC 1101 mesure 6 millions d'années-lumière de diamètre (et non pas 8 millions d'a.l.), soit 4 fois plus que M87, 30 fois plus que la galaxie d'Andromède et 60 fois plus que la Voie Lactée !

IC 1101 contiendrait 100 mille milliards d'étoiles (contre 2000 milliards auparavant), soit 250 à 500 fois plus que la Voie Lactée et serait 2000 fois plus massive que notre Galaxie !

IC 1101 est non seulement la galaxie la plus grande et la plus massive de l'Univers mais également l'une des plus brillantes dans l'absolu. En effet, c'est aussi la galaxie la plus brillante de l'amas Abell 2029. A elle seule, la luminosité d'IC 1101 représente 25% de la lumière émise par les milliers de galaxies que contient cet amas ! Le coeur d'IC 1101 est également un puissance radiosource vraisemblablement associé à un trou noir qu'on peut supposer hypermassif.

La forme et la couleur de cette galaxie trahissent son grand âge. En effet, la galaxie IC 1101 est tellement vaste et massive que de "petites" galaxies d'une taille similaire à la Voie Lactée ou de la galaxie d'Andromède l'ont percutée et ont finalement fusionné avec elle, transformant graduellement sa forme spirale en une forme elliptique avec des structures à peine visibles. Du rapprochement des premières galaxies à leur fusion, le processus d'interaction a probablement duré entre 5 et 8 milliards d'années selon la taille des galaxies.

Bien que très âgée, grâce à ces collisions et ces apports de gaz légers, cette immense galaxie continue à former de nouvelles étoiles. Mais elle comprend surtout de nombreuses étoiles riche en métaux dont la majorité sont âgées d'environ 11 milliards d'années (plus du double du Soleil) et présentent une couleur jaune-dorée qui lui a donné cette couleur typique.

A moins que d'autres jeunes galaxies ne fusionnent avec elle, dans quelques milliards d'années les vieilles étoiles qu'elle abrite s'éteindront et IC 1101 finira par se dissiper dans le vide du cosmos.

Une nouvelle étoile UMP de la Vieille Population II

Début 2016, une équipe d’astronomes brésiliens et américains conduite par Jorge Melendez de l’Université de São Paulo ont utilisé deux télescopes VLT de l'ESO pour découvrir une nouvelle étoile pauve en métaux cataloguée 2MASS J18082002–5104378. Il s'agit de l'une des rares reliques de l’époque de la formation de la Voie lactée.

Cette étoile serait âgée entre 12 et 13 milliards d'années. Elle présente une température effective de 5440 K et brille à la magnitude de 11.9.

Comme BPS CS22892-0052 (l'étoile de Sneden), cet astre appartient à la famille des étoiles UMP ou Ultra-Metal Poor, très pauvres en métaux. Elle présente une métallicité [Fe/H] = -4.1 dex soit 12589 fois moins de métaux que le Soleil (où [Fe/H] = 0), voisin de celui des étoiles de Population III où [Fe/H]  ~ -5. Très rares aujourd'hui, elles permettent aux astrophysiciens d'en savoir plus sur leur formation et indirectement comment était l’Univers durant sa phase primordiale.

Les galaxies DOGs

Une équipe internationale d'astronomes dirigée par Yoshiki Toba de l'Université Ehime du Japon a annoncé le 16 août 2015 avoir découvert 48 nouvelles Galaxies Obscurcies par la Poussière ou DOGs.

Ces observations ont été réalisées en lumière blanche et infrarouge grâce au télescope Subaru de 8.2 m (équipé de la caméra HSC de 870 Mpixels) de la NOAJ, du télescope VISTA de 4.1 m de l'ESO (sondage VIKING ou Kilo-degree Infrared Galaxy survey) et du télescope orbital WISE de 0.4 m (Wide-field Infrared Survey Explorer) de la NASA en orbite depuis 2009.

Les DOGs sont très pâles en lumière visible car une grande quantité de poussière obscurcit leur silhouette. En revanche, elles sont très brillantes en infrarouge et on suspecte les plus lumineuses d'abriter un trou noir supermassif en croissance rapide dont la masse atteindrait des centaines de milliers et même des milliards de fois celle du Soleil (cf. l'article sur les trous noirs).

La plupart des DOGs apparaissent telles qu'elles étaient à une époque où le taux de formation stellaire atteignait son pic, il y a 8 à 10 milliards d'années. De ce fait, les DOGs et leur trou noir ont rapidement grossi dès la première phase de leur co-évolution. Toutefois, du fait que les DOGs sont rares et cachées derrière d'importants halos de poussières, la plupart sont restées invisibles dans les sondages effectués en lumière blanche.

A gauche, images de 3 DOGs. Les images de gauche, du centre et de droite ont respectivement été enregistrées en lumière blanche par le télescope Subaru équipé de la caméra Hyper Suprime (HSC) de 870 Mpixels, proche infrarouge par le télescope VISTA (sondage VIKING) et en infrarouge moyen par WISE. L'image couvre un champ de 20" carrés. A droite, illustration d'une DOG. Documents U.Ehime/NAOJ/NASA/ESO et Aurore Simonnet/NASA/U.Sonoma.

Les recherche des DOGs a réellement débuté en 2012, lorsque le télescope japonais Subaru de 8.2 m fut équipé de la caméra Hyper Suprime-Cam (HSC) de 870 Mpixels capable d'enregistrer en une seule prise de vue un champ de 1.5° de diamètre.

Jusqu'à présent les astronomes avaient découvert une poignée de DOGs dont la luminosité en infrarouge oscille entre 10 et 10000 milliards de soleils.

En mars 2014, un ambitieux programme de recherche des DOGs débuta s'étendant sur 300 nuits réparties sur 5 ans grâce auquel 48 DOGs ont été découvertes. Cela permit pour la première fois d'estimer le nombre de densité à environ 300 DOGs par gigaparsec cube pour les individus les plus lumineux (~10¹⁴ L), sachant qu'il pourrait en exister quelques dizaines brillant en infrarouge comme 100000 milliards de soleils. Les modèle prédisent qu'il devrait exister plus de 500000 DOGs mille fois plus pâles (10¹¹ L) par gigaparsec cube et donc probablement autant de trous noirs galactiques.

Ces découvertes devraient aider les astrophysiciens à comprendre la co-évolution des galaxies et des trous noirs supermassifs qu'elles abritent dès leur formation.

Troisième partie

A1689B11, la galaxie spirale la plus ancienne