Les galaxies noires de l'Univers primordial observées pour la première fois
Par Benje le vendredi, juillet 13 2012, 10:10 - Nouvelles Scientifiques - Lien permanent
Source: ESO
Pour la première fois, des galaxies noires ont été observées. Les galaxies noires correspondent à l'une des premières phases de la formation des galaxies, prédite par la théorie, mais qui n'avait jamais été observée jusqu'à présent. Ces objets sont essentiellement des galaxies riches en gaz et sans étoiles. En utilisant le très grand télescope de l'ESO, le VLT, une équipe internationale a détecté ces objets difficiles à voir en les voyant briller alors qu'ils étaient illuminés par un quasar.
Les galaxies noires sont de petites galaxies riches en gaz de l'Univers
primordial qui ont beaucoup de mal à former des étoiles. Elles sont
prédites par les théories de formation des galaxies et sont supposées
être les blocs élémentaires des galaxies lumineuses et riches en étoiles
d'aujourd'hui. Les astronomes supposent qu'elles ont dû fournir la
majorité du gaz des grandes galaxies qui par la suite a formé les
étoiles qui existent actuellement.
Étant pratiquement dépourvues d'étoiles, ces galaxies noires n'émettent
pas beaucoup de lumière, ce qui les rend très difficiles à détecter.
Pendant des années les astronomes ont essayé de développer de nouvelles
techniques pour confirmer leur existence. De petites raies en absorption
dans le spectre de sources lumineuses d'arrière-plan ont laissé
supposer leur existence. Cependant, cette nouvelle étude correspond à la
première fois où de tels objets ont été observés directement.
"Notre approche du problème de détection des galaxies noires a été
simplement de les éclairer avec une lumière puissante" Explique Simon
Lilly (ETH Zurich, Suisse), coauteur de l'article. "Nous avons cherché
le rayonnement fluorescent du gaz dans les galaxies noires quand elles
sont illuminées par la lumière ultraviolette émise par un quasar proche
et très brillant. La lumière du quasar fait s'illuminer les galaxies
noires par un processus semblable à la manière dont les vêtements blancs
s'illuminent avec une lampe ultraviolette de lumière noire dans une discothèque." (1)
L'équipe a tiré parti de la grande surface collectrice et de la sensibilité du VLT ainsi que d'une série d'observations avec de très longs temps
de pose, pour détecter la lumière fluorescente extrêmement faible des
galaxies noires. Ils ont utilisé l'instrument FORS2 pour cartographier
une région du ciel autour du quasar brillant (2) HE 0109-3518, à la recherche de la lumière ultraviolette émise par l'hydrogène
quand il est soumis à d'intenses rayonnements. Du fait de l'expansion
de l'Univers, avec le temps qu'il faut à cette lumière pour atteindre le
VLT, elle est en fait observée comme une nuance de violet. (3)
"Après plusieurs années de tentatives pour détecter l'émission
fluorescente des galaxies noires, nos résultats démontrent le potentiel
de notre méthode pour découvrir et étudier ces objets fascinants et
auparavant invisibles," déclare Sebastiano Cantalupo (University of
California, Santa Cruz), le premier auteur de cette étude.
L'équipe a détecté près de 100 objets gazeux situés dans un rayon de
quelques millions d'années-lumière autour du quasar. Après une analyse
méticuleuse conçue pour exclure les objets dont l'émission pourrait être
provoquée par la formation stellaire interne
aux galaxies et non pas par la lumière du quasar, ils ont finalement
réduit leur recherche à 12 objets. Il s'agit là de l'identification des
galaxies noires de l'Univers primordial la plus convaincante à ce jour.
Les astronomes ont aussi été capables de déterminer quelques propriétés des galaxies noires. Ils ont estimé que la masse de leur gaz équivaut à environ 1 milliard de fois la masse du Soleil,
ce qui est typique pour les galaxies de faible masse riche en gaz de
l'Univers primordial. Ils ont également pu estimer que l'efficacité de
la formation stellaire est réduite d'un facteur 100 par rapport aux
galaxies à formation d'étoiles typiques trouvées à une phase similaire de l'histoire cosmique. (4)
"Nos observations avec le VLT ont fourni la preuve de l'existence de
nuages noirs compacts et isolés. Avec cette étude, nous avons fait un
pas capital vers la découverte et la compréhension des premières et
obscures phases de la formation des galaxies et sur la manière dont les
galaxies acquièrent leur gaz," conclut Sebastiano Cantalupo.
Le spectrographe intégral de champ MUSE, qui sera mis en service sur le VLT en 2013 sera un outil extrêmement puissant pour étudier ces objets.
Notes: (1) La fluorescence
est l'émission de lumière par une substance illuminée par une source
lumineuse. Dans la plupart des cas, la lumière émise a une longueur d'onde plus longue que celle de la source lumineuse. Par exemple, les lampes fluorescentes transforment le rayonnement ultraviolet - qui nous est invisible- en lumière visible.
La fluorescence apparaît naturellement dans certains éléments comme les
roches ou les minéraux, mais elle peut aussi être ajoutée
intentionnellement comme dans les détergents qui contiennent des
substances chimiques fluorescentes pour que les habits blancs
apparaissent plus blancs sous la lumière normale.
(2) Les quasars sont des galaxies lointaines très brillantes que l'on
suppose alimentées par des trous noirs supermassifs en leur centre. Leur
brillance en fait des phares puissants qui peuvent aider à illuminer
les zones environnantes, en sondant l'époque où les premières étoiles et
galaxies se sont formées à partir du gaz primordial.
(3) Cette émission de l'hydrogène est connue sous le nom de rayonnement Lyman-alpha et se produit quand les électrons de l'atome d'hydrogène passent du second niveau d'énergie
au niveau fondamental. C'est de la lumière ultraviolette. Du fait de
l'expansion de l'Univers, la longueur d'onde de la lumière des objets
est étirée au cours de son voyage spatial. Plus le trajet de la lumière est long, plus sa longueur d'onde est étirée. Le rouge
étant la plus grande longueur d'onde visible pour nos yeux, ce
processus est littéralement un décalage des longueurs d'onde vers
l'extrémité rouge du spectre - d'où le nom de " redshift " en anglais
pour décalage vers le rouge.
Le quasar HE 0109-3518 est situé à un redshift de z = 2,4 et la lumière
ultraviolette des galaxies noires est décalée dans le domaine visible
du spectre. Un filtre
a bande étroite a été spécialement fabriqué pour isoler la longueur
d'onde spécifique de le lumière de l'émission fluorescente décalée vers
le rouge. Le filtre était centré à environ 414,5 nanomètres afin de
capturer l'émission Lyman Alpha décalée vers le rouge à un redshift z =
2,4 (ce qui correspond à une nuance de violet) et avait une bande-passante de seulement 4 nanomètres.
(4) L'efficacité de la formation stellaire est le rapport de la masse
des étoiles nouvellement formées sur la masse de gaz disponible pour
former des étoiles. Ils ont trouvé qu'il faudrait plus de 100 milliards
d'années à ces objets pour transformer leur gaz en étoiles. Ce résultat
est en accord avec de récentes études théoriques qui suggèrent que les
halos de faible masse riche en gaz situé à grand redshift doivent avoir
une très faible efficacité de formation stellaire du fait d'un contenu
en métaux plus faible.