Détection de la plus lointaine galaxie : la fin de l’«âge sombre»

 

Une équipe d'astronomes français et britanniques1, conduite par trois scientifiques du CNRS, vient de déterminer la distance de la galaxie la plus éloignée jamais observée à ce jour. Pour cela, ils ont utilisé le Very Large Telescope de l'ESO. En analysant soigneusement la lueur extrêmement faible provenant de la galaxie, ils ont constaté que l’Univers au moment de l’émission observée de la galaxie avait 600 millions d'années environ. C'est la première fois que des astronomes sont témoins du moment où, par réionisation, l’Univers passe du stade d’« âge sombre » à celui d’Univers transparent, c’est-à-dire lumineux. Ces observations suggèrent que le rayonnement provenant de galaxies voisines a aidé à dissiper le brouillard d'hydrogène opaque environnant qui empêchait la lumière de s’échapper et de parvenir jusqu’à la Terre après un voyage de 13 milliards d’années. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature du 21 octobre 2010.

«Utilisant le Very Large Telescope de l'ESO, nous avons confirmé qu'une galaxie repérée plus tôt avec le télescope spatial Hubble (NASA-ESA) était l'objet le plus lointain dans l'Univers, jamais observé jusqu’à présent», déclare Matt Lehnert, chercheur au Laboratoire «Galaxies,  étoiles, physique, instrumentation» (Observatoire de Paris/CNRS/Université Paris Diderot) et premier auteur de l’article. «La puissance du VLT et du spectro-imageur SINFONI dont il est pourvu, nous a permis de mesurer avec exactitude la distance jusqu’à cette galaxie très peu lumineuse. Nous constatons que nous la voyons lorsque l'Univers avait moins de 600 millions d'années.»

L'étude de ces premières galaxies est extrêmement difficile : elles sont très faibles et très petites et, avant que leur lumière parvienne jusqu’à la Terre, l’expansion de l’Univers provoque un décalage vers la partie infrarouge du spectre. Pour accentuer la difficulté, moins d’un milliard d’années après le Big Bang, l'Univers n'était pas entièrement transparent : il était alors rempli d’un brouillard d’hydrogène qui avait pour particularité d’absorber le rayonnement ultraviolet émis justement par les galaxies jeunes2. En dépit de ces difficultés, la nouvelle caméra à grand champ installé au foyer du télescope spatial Hubble (HST) de la NASA/ESA a découvert l'année dernière plusieurs objets constituant de sérieux candidats pour être des galaxies rayonnant aux premières époques de l’Univers avec des décalages vers le rouge supérieurs à 8. La confirmation des distances pour des objets si faibles et si éloignés constitue un énorme défi. Celui-ci ne peut être relevé aujourd’hui qu’avec les spectrographes équipant les très grands télescopes au sol3. Matt Lehnert explique : « Après l'annonce des candidats galaxies détecté par le HST, nous avons fait un rapide calcul et nous avons constaté que la puissance du VLT4, alliée à une durée d'observation très longue devaient nous permettre de détecter la lueur extrêmement faible d'une de ces galaxies très éloignée et de mesurer sa distance. »

Après avoir observé cette galaxie pendant 16 heures et analysé les données pendant 2 mois en utilisant des logiciels d’analyse qu’ils avaient développés, les chercheurs ont constaté qu'ils avaient clairement détecté la lueur très faible de l'hydrogène avec un décalage vers le rouge de 8,6. Cette distance fait de cette galaxie l'objet le plus éloigné jamais détecté par la spectroscopie. Nicole Nesvadba qui travaille à l’Institut d'astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris-Sud 11) résume ce travail, le « traitement des données était une tâche colossale, nous avons effectué beaucoup d'essais pour éliminer tout doute et être certain de l’exactitude de notre détection. C'est la première fois que nous savons à coup sûr que nous observons une des galaxies ayant percé le brouillard qui remplissait l’Univers depuis le Big Bang ».

Les scientifiques ont été étonnés par le fait que la lueur de cette galaxie baptisée UDFy-38135539 ne semble pas être assez forte pour dissiper toute seule le brouillard d'hydrogène l’entourant. « Il doit y avoir d'autres galaxies, probablement plus faibles, moins massives et proches d’UDFy-38135539, qui ont également aidé à rendre l'espace transparent autour de cette galaxie. Sans cette aide additionnelle, la lumière de la galaxie aurait été absorbée dans le brouillard environnant d'hydrogène et nous n'aurions pas pu la détecter », explique Mark Swinbank, chercheur à l’Université de Durham.

Jean-Gabriel Cuby du Laboratoire d’astrophysique de Marseille (CNRS/Université de Provence), précise que « l’étude de l'ère de la réionisation et de la formation des galaxies pousse au maximum de leurs possibilités les télescopes et les instruments existant, que ce soit au sol ou dans l’espace, mais c'est justement ce type de problématique scientifique qui pourra être pleinement abordé avec les très grands instruments de l’avenir, que ce soit l’European Extremely Large Telescope de l’ESO, le James Webb Space Telescope (JWST) de la NASA-ESA ou le grand interféromètre millimétrique et submillimétrique ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) ».

  

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1) Sont impliqués dans ces travaux : le Laboratoire « Galaxies,  étoiles, physique, instrumentation » (Observatoire de Paris/CNRS/Université Paris Diderot), l’Institut d'astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris-Sud 11), le Laboratoire d’astrophysique de Marseille (CNRS/Université de Provence), ainsi que l’Université de Durham, l’Astronomy Technology Centre à Edinburgh, et l’Université de Bristol.

2)Lorsque l'Univers se refroidi après le Big Bang il y a environ 13,7 milliards d'années, les électrons et les protons se combinent pour former le gaz d'hydrogène. Ce gaz est le principal constituant de l'Univers pendant la période que l’on appelle l’« âge sombre », quand il n'y avait aucun objet émettant de la lumière. Cette phase s’est ensuite achevée lorsque les premières étoiles se sont formées, leur rayonnement ultraviolet intense cassant les atomes d’hydrogène pour donner à nouveau des électrons et des protons et rendant ainsi l’Univers transparent, époque appelée réionisation. Cette période a duré environ 150 à 800 millions d'années après le Big Bang. Comprendre comment la réionisation s'est produite et comment les premières galaxies se sont formées et ont évolué est l'un des principaux défis de la cosmologie contemporaine.

3) Les astronomes ont deux démarches pour trouver et mesurer les distances des galaxies les plus lointaines. Ils prennent des images très profondes avec différents filtres de couleurs et ils mesurent la luminosité de beaucoup d'objets à différentes longueurs d'onde. Ils comparent ces objets avec ce qui est prévu pour des galaxies de différents types et ce à différentes périodes de l’histoire de l’Univers. C'est la seule manière actuellement disponible pour découvrir ces galaxies très lointaines et c’est la technique utilisée par l'équipe du télescope spatial Hubble. Mais cette technique n'est pas toujours fiable. Par exemple, ce qui peut être une galaxie très éloignée peut parfois s'avérer être une étoile froide appartenant à notre Voie lactée. Une fois que des candidats sont trouvés, il est nécessaire de déterminer leurs distances d’une façon plus fiable. Ceci peut être obtenu en décomposant la lumière parvenant de l’objet et à partir de la signature d’éléments présents dans la galaxie hôte, tel l’hydrogène, d’en déduire leurs décalages par rapport à des spectres de référence et de là, la distance de la galaxie observée. Cette approche spectroscopique est le seul moyen par lequel les astronomes peuvent obtenir les mesures les plus fiables et les plus précises de la distance.

4)Il s’agit de sa capacité à collecter les photons.

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Référence : Spectroscopic confirmation of a galaxy at redshift z=8.6, M. D. Lehnert, N. P. H. Nesvadba, J.-G. Cuby, A. M. Swinbank, S. Morris, B. Clément, C. J. Evans, M. N. Bremer and S. Basa, Nature. 21 octobre 2010.

Contacts : Chercheur : Nicole Nesvadba : T 01 69 15 36 54 - nicole.nesvadba @ ias.u-psud.fr
Chercheur : Jean-Gabriel Cuby : T 04 91 05 59 76 - jean-gabriel.cuby @ oamp.fr
Chercheur anglophone : Matthew Lehnert - T 01 45 07 76 11 - matthew.lehnert @ obspm.fr
Presse CNRS : Priscilla Dacher - T 01 44 96 46 06 - priscilla.dacher @ cnrs-dir.fr
Communication INSU-CNRS : Philippe Chauvin - T 01 44 96 43 36 / 06 33 50 18 97  - philippe.chauvin @ cnrs-dir.fr
Presse Université Paris-Sud 11 : Cécile Pérol - T 01 69 15 41 99 / 06 58 24 68 44 - cecile.perol @ u-psud.fr