Voir les ombres des anciennes galaxies

- 16 Mar 2016

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Une nouvelle technique permet aux astronomes de mesurer des nuages presque invisibles de gaz d'hydrogène de tout l'univers.

La majorité de l’univers est caché de la vue. Les meilleurs télescopes du monde ne peuvent pas ramasser d’astéroïdes rocheux qui orbitent aux confins du système solaire, exoplanètes qui gravitent autour d’étoiles lointaines, ou galaxies qui se sont formées dans l’univers primitif. Au lieu de cela, la science se fait souvent en silhouette. Les astronomes repèrent ces objets évasives que par l’ombre qu’ils jettent quand ils passent, par hasard, devant une source de lumière plus lointain.

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Une nouvelle étude améliore cette méthode, mettant en lumière les systèmes dits Lyman-alpha amorties, des nuages géants faits principalement de l’hydrogène gazeux dans l’Univers. Jeff Cooke (Swinburne Institute of Technology, Australie) et John O’Meara (Collège Saint-Michel) a annoncé lors de la réunion American Astronomical Society à Kissimmee, en Floride, qu’ils ont trouvé un de ces nuages qui couvre trois fois la largeur de la voie lactée.

Parce que l’hydrogène neutre n’émet pas de rayonnement, les systèmes Lyman-alpha amortie sont notoirement difficiles à détecter directement. Au lieu de cela, les astronomes utilisent une astuce simple: ils attrapent les ombres des nuages. Le flot de lumière de quasars lointains – une classe de noyaux galactiques intensément lumineuses avec des trous noirs supermassifs qui sont engloutis gaz et de poussière – jette un coup de projecteur sur le gaz autrement invisibles. Tous les atomes d’hydrogène intermédiaires absorbent une longueur d’onde spécifique de la lumière des quasars, laissant une ligne d’absorption sombre dans le spectre qui atteint la Terre.

La forme et la profondeur de cette ligne d’absorption dévoile quelques informations sur le nuage intervenant. Les astronomes savent maintenant, par exemple, qu’un montant total proche de gaz d’hydrogène existe dans ces premiers nuages dans le milieu interstellaire de la plupart des galaxies aujourd’hui. En tant que tels, ils sont un bon indicateur pour les régions de formation d’étoiles dans les galaxies de l’Univers. Des mesures détaillées de ces nuages pourraient donc faire la lumière sur la façon dont les galaxies se forment et évoluent.

À quel point sont-ils gros?

À ce jour, les astronomes ont utilisé les raies d’absorption au sein de la lumière de quasars pour étudier des milliers de systèmes Lyman-alpha amorties. Mais il y a un gros inconvénient. Parce que les quasars sont eux-mêmes de très petits objets, à quelques années-lumière de diamètre, les astronomes ne peuvent sonder qu’une infime partie de ces systèmes. Cooke a comparé ce problème à l’éclairage d’un campus universitaire massif avec juste la pointe d’un pointeur laser. Vous aurez probablement seul endroit un brin d’herbe ou un ruban d’un toit en ciment.

“Depuis 40 ans, nous avons utilisé cette technique pour comprendre les gaz dans les premières galaxies, mais nous avons été absent sur deux très importants, éléments d’information fondamentaux”

dit O’Meara: les tailles et les masses des nuages. “Voilà c’est un peu embarrassant.” En tant que tel, les astronomes ne savent pas si ces systèmes ne sont que de petits nuages dans une galaxie ou des nuages massifs dans le milieu intergalactique qui sont prêts à former une galaxie.
Donc Cooke (prononcé comme le traitement) et O’Meara ont décidé de chercher des galaxies d’arrière-plan à la place. Une source de lumière de fond plus grande éclairera beaucoup plus – sinon la totalité – d’un nuage afin d’intervenir et de révéler des détails sans précédent. Les galaxies lointaines sont généralement trop faible pour être utiliser comme des projecteurs, mais la technique devient possible avec de plus grands télescopes mis en ligne dans un avenir proche.

L’ombre d’une ancienne galaxie

Comme une preuve de concept Cooke et O’Meara avaient l’air pour les systèmes Lyman-alpha amorties dans les signatures de 54 galaxies lumineuses à l’aide des deux télescopes jumeaux de 10 mètres de l’Observatoire Keck et quatre plats de 8,2 mètres du Very Large Telescope. Une galaxie, connue sous le nom VVDS 910298177 (situé à une époque où l’univers était âgé de seulement 3 milliards d’années), a clairement montré un système Lyman-alpha amortie. La raie d’absorption diminue tout le chemin à zéro tout le chemin à travers la galaxie d’arrière-plan, ce qui signifie que le gigantesque nuage en face d’elle doit couvrir le tout. Cela rend le nuage au moins trois fois la taille de la Voie Lactée – beaucoup plus grande que les astronomes aurait pu deviner donné un quasar de fond.

“Donc, ce que nous avons fait est augmenté notre capacité de comprendre la taille des choses par un facteur d’environ une centaine de millions, ce qui est vraiment plutôt cool”

dit O’Meara.
La constatation pourrait aider à résoudre le casse-tête de l’endroit où ces premiers nuages résident.

“Les systèmes Lyman-alpha amorties que nous avons trouvés semblent être essentiellement« autonome »nuages dans le milieu intergalactique. Ils sont si grands qu’ils vont probablement former des galaxies pleines matures comme les galaxies spirales actuelles comme la Voie lactée.”

Dawn Erb (Université de Wisconsin Milwaukee), qui n’a pas participé à l’étude, pense que la méthode sera un complément utile au travail qu’elle fait. Erb étudie les galaxies à des distances cosmiques similaires, mais elle le fait en regardant leur lumière émise, plutôt que leur lumière absorbée. En regardant ces galaxies à la fois dans l’émission et l’absorption, dit-elle, les astronomes peuvent avoir une bien meilleure compréhension de leurs morphologies globales.


La nouvelle technique est titulaire d’un lot de promesses à l’ère de télescopes de 30 mètres. “Ces machines monstre qui sont en train d’être construits vont être en mesure d’utiliser cette technique par milliers», dit O’Meara. Et elles le feront d’autant plus en 18 heures que Cooke et O’Meara ont réussi à accomplir sur le Very Large Telescope. Il y a beaucoup plus de galaxies que de quasars, en premier lieu, dans peu de temps les astronomes seront en mesure de «tracer une tomographie tridimensionnelle de la totalité du gaz dans l’univers», dit Cooke.

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