Crédit d'image: ESO
En utilisant l'instrument proche infrarouge ISAAC sur le très grand télescope de l'ESO et l'effet de grossissement d'une lentille gravitationnelle, une équipe d'astronomes français et suisses [2] a trouvé plusieurs galaxies faibles considérées comme les plus éloignées connues.
De nouvelles études spectroscopiques de l'un de ces candidats ont fourni des arguments solides pour ce qui est maintenant le nouveau détenteur du record - et de loin - de la galaxie la plus éloignée connue dans l'Univers.
Nommée Abell 1835 IR1916, la galaxie nouvellement découverte a un décalage vers le rouge de 10 [3] et est située à environ 13 230 millions d'années-lumière. On le voit donc à une époque où l'Univers n'avait que 470 millions d'années, soit à peine 3% de son âge actuel.
Cette galaxie primitive semble être dix mille fois moins massive que notre galaxie, la Voie lactée. Il pourrait bien être parmi la première classe d'objets qui ont mis fin à l'âge des ténèbres de l'univers.
Cette découverte remarquable illustre le potentiel des grands télescopes au sol dans le domaine proche infrarouge pour l'exploration de l'Univers très précoce.
Creuser dans le passé
Comme les paléontologues qui creusent de plus en plus pour trouver les vestiges les plus anciens, les astronomes tentent de regarder de plus en plus loin pour scruter le très jeune Univers. La quête ultime? Trouver les premières étoiles et galaxies qui se sont formées juste après le Big Bang.
Plus précisément, les astronomes tentent d'explorer les derniers «territoires inconnus», la frontière entre «l'âge des ténèbres» et la «renaissance cosmique».
Peu de temps après le Big Bang, qui aurait eu lieu il y a environ 13 700 millions d'années, l'Univers a plongé dans l'obscurité. Le rayonnement relique de la boule de feu primordiale avait été étiré par l'expansion cosmique vers des longueurs d'onde plus longues et ni étoiles ni quasars n'avaient encore été formés qui pourraient éclairer le vaste espace. L'Univers était un endroit froid et opaque. Cette sombre époque est donc assez raisonnablement surnommée «l'âge des ténèbres».
Quelques centaines de millions d'années plus tard, la première génération d'étoiles et, plus tard encore, les premières galaxies et quasars, ont produit un rayonnement ultraviolet intense, soulevant progressivement le brouillard sur l'Univers.
Ce fut la fin du Moyen Âge et, avec un terme repris à nouveau de l'histoire humaine, on l'appelle parfois la «Renaissance cosmique».
Les astronomes tentent de déterminer quand - et comment - exactement l'âge des ténèbres s'est terminé. Cela nécessite de rechercher les objets les plus éloignés, un défi que seuls les plus grands télescopes, associés à une stratégie d'observation très attentive, peuvent relever.
Utilisation d'un télescope gravitationnel
Avec l'avènement des télescopes de 8 à 10 mètres, des progrès spectaculaires ont été réalisés au cours de la dernière décennie. En effet, il est depuis devenu possible d'observer avec quelques détails plusieurs milliers de galaxies et quasars jusqu'à des distances de près de 12 milliards d'années-lumière (soit jusqu'à un décalage vers le rouge de 3 [3]). En d'autres termes, les astronomes sont maintenant en mesure d'étudier les galaxies individuelles, leur formation, leur évolution et d'autres propriétés sur généralement 85% de l'histoire passée de l'Univers.
Plus loin dans le passé, cependant, les observations de galaxies et de quasars se font rares. Actuellement, seule une poignée de galaxies très faibles est observée environ 1 200 à 750 millions d'années après le Big Bang (redshift 5-7). Au-delà de cela, la faiblesse de ces sources et le fait que leur lumière soit déplacée de l'optique vers le proche infrarouge ont jusqu'à présent fortement limité les études.
Une percée importante dans cette quête de la première galaxie formée a été réalisée par une équipe d'astronomes français et suisses [2] utilisant le Very Large Telescope (VLT) de l'ESO équipé de l'instrument sensible proche infrarouge ISAAC. Pour ce faire, ils ont dû combiner l'effet d'amplification de la lumière d'un amas de galaxies - un télescope gravitationnel - avec la puissance de collecte de lumière du VLT et les excellentes conditions du ciel régnant à Paranal.
À la recherche de galaxies lointaines
La chasse à de tels objets faibles et insaisissables exige une approche particulière.
Tout d'abord, des images très profondes d'un amas de galaxies nommé Abell 1835 ont été prises à l'aide de l'instrument proche infrarouge ISAAC du VLT. Ces amas massifs relativement proches sont capables de plier et d'amplifier la lumière des sources de fond - un phénomène appelé lentille gravitationnelle et prédit par la théorie d'Einstein de la relativité générale.
Cette amplification naturelle permet aux astronomes d'observer des galaxies qui seraient autrement trop faibles pour être vues. Dans le cas de la galaxie nouvellement découverte, la lumière est amplifiée environ 25 à 100 fois! Combiné à la puissance du VLT, il a ainsi été possible d'imager et même de prendre un spectre de cette galaxie. En effet, l'amplification naturelle augmente efficacement l'ouverture du VLT de 8,2 m à 40-80 m.
Les images profondes proches infrarouges prises à différentes longueurs d'onde ont permis aux astronomes de caractériser les propriétés de quelques milliers de galaxies dans l'image et d'en sélectionner une poignée comme galaxies potentiellement très éloignées. En utilisant des images précédemment obtenues prises au télescope Canada-France-Hawaii (CFHT) sur Mauna Kea et des images du télescope spatial Hubble, il a ensuite été vérifié que ces galaxies ne sont en effet pas vues dans l'optique. De cette façon, six galaxies candidates à décalage vers le rouge élevé ont été reconnues dont la lumière pourrait avoir été émise lorsque l'Univers avait moins de 700 millions d'années.
Pour confirmer et obtenir une détermination plus précise de la distance de l’une de ces galaxies, les astronomes ont obtenu le temps discrétionnaire du directeur pour réutiliser ISAAC sur le VLT, mais cette fois dans son mode spectroscopique. Après plusieurs mois d'analyse minutieuse des données, les astronomes sont convaincus d'avoir détecté une caractéristique spectrale faible mais claire dans le domaine proche infrarouge. Les astronomes ont clairement démontré que cette caractéristique est très certainement la raie d'émission Lyman-alpha typique de ces objets. Cette ligne, qui se produit en laboratoire à une longueur d'onde de 0,1216 µm, c'est-à-dire dans l'ultraviolet, a été étirée dans le proche infrarouge à 1,34 µm, faisant d'Abell 1835 IR1916 la première galaxie connue pour avoir un décalage vers le rouge aussi grand que dix.
La galaxie la plus éloignée connue à ce jour
C'est le cas le plus fort pour un décalage vers le rouge supérieur à l'enregistrement confirmé par spectroscopie à z = 6,6 et le premier cas pour un décalage vers le rouge à deux chiffres. Échelle de l'âge de l'Univers à la vie d'une personne (80 ans, disons), le précédent record confirmé montrait un enfant en bas âge de quatre ans. Avec les présentes observations, nous avons une photo de l'enfant quand il avait deux ans et demi.
À partir des images de cette galaxie obtenues dans les différentes bandes d'ondes, les astronomes en déduisent qu'elle traverse une période de formation intense d'étoiles. Mais la quantité d'étoiles formées est estimée à «seulement» 10 millions de fois la masse du soleil, environ dix mille fois plus petite que la masse de notre Galaxie, la Voie lactée.
En d'autres termes, ce que les astronomes voient est le premier bloc de construction des grandes galaxies actuelles. Cette découverte concorde bien avec notre compréhension actuelle du processus de formation des galaxies correspondant à une accumulation successive des grandes galaxies observée aujourd'hui à travers de nombreuses fusions de «blocs de construction», des galaxies plus petites et plus jeunes formées dans le passé.
Ce sont ces blocs de construction qui ont peut-être fourni les premières sources de lumière qui ont levé le brouillard au-dessus de l'Univers et mis fin au Moyen Âge.
Pour Roser Pell ?, de l'Observatoire Midi-Pyrénées (France) et co-responsable de l'équipe, «ces observations montrent que dans d'excellentes conditions de ciel comme celles de l'Observatoire Paranal de l'ESO, et en utilisant des lentilles gravitationnelles fortes, des observations directes des galaxies lointaines proches de l'âge des ténèbres sont réalisables avec les meilleurs télescopes au sol. »
L'autre co-leader de l'équipe, Daniel Schaerer de l'Observatoire et Université de Genève (Suisse), est ravi: "Cette découverte ouvre la voie à de futures explorations des premières étoiles et galaxies du premier Univers."
Plus d'information
Les informations présentées dans ce communiqué de presse sont basées sur un article de recherche de la revue de recherche européenne «Astronomy & Astrophysics» (A&A, volume 416, page L35; «ISAAC / VLT observations of a lensed galaxy at z = 10.0» de Roser Pell? , Daniel Schaerer, Johan Richard, Jean-François Le Borgne et Jean-Paul Kneib). Il est disponible sur le Web sur le site Web d'EDP.
Des explications et des images supplémentaires sont disponibles sur la page Web des auteurs, à l'adresse http://obswww.unige.ch/sfr et http://webast.ast.obs-mip.fr/galaxies/
Source d'origine: communiqué de presse de l'ESO
