Crédit d'image: ESO
Une équipe internationale d'astronomes a utilisé le très grand télescope de l'Observatoire européen austral (VLT) pour regarder profondément dans l'espace et voir des galaxies situées à 12,6 milliards d'années-lumière de distance - ces galaxies sont observées lorsque l'Univers n'avait que 10% de son âge actuel. Peu de galaxies aussi anciennes ont été trouvées, et cette nouvelle collection a aidé les astronomes à conclure qu'elles font partie d'un âge sombre cosmique, lorsque les galaxies lumineuses étaient plus rares - il y en avait beaucoup plus seulement 500 millions d'années plus tard.
À l'aide du très gros télescope ESO (VLT), deux astronomes d'Allemagne et du Royaume-Uni [2] ont découvert certaines des galaxies les plus éloignées jamais vues. Ils sont situés à environ 12 600 millions d'années-lumière.
Il a fallu à la lumière enregistrée par le VLT environ les neuf dixièmes de l'âge de l'Univers pour parcourir cette immense distance. Nous observons donc ces galaxies telles qu'elles étaient à une époque où l'Univers était très jeune, moins d'environ 10% de son âge actuel. A cette époque, l'Univers sortait d'une longue période connue sous le nom de «l'âge des ténèbres», entrant dans l'époque lumineuse de la «Renaissance cosmique».
Contrairement aux études précédentes qui ont abouti à la découverte de quelques galaxies largement dispersées à cette époque précoce, la présente étude a trouvé au moins six citoyens éloignés dans une petite zone du ciel, moins de cinq pour cent de la taille de la pleine lune! Cela a permis de comprendre l'évolution de ces galaxies et comment elles affectent l'état de l'Univers dans sa jeunesse.
En particulier, les astronomes concluent sur la base de leurs données uniques qu'il y avait considérablement moins de galaxies lumineuses dans l'Univers à ce stade précoce que 500 millions d'années plus tard.
Il doit donc y avoir beaucoup de galaxies moins lumineuses dans la région de l'espace qu'elles ont étudiées, trop faibles pour être détectées dans cette étude. Ce doivent être ces galaxies encore non identifiées qui émettent la majorité des photons énergétiques nécessaires pour ioniser l'hydrogène dans l'Univers à cette époque particulière.
Du Big Bang à la Renaissance Cosmique
De nos jours, l'Univers est imprégné de rayonnement ultraviolet énergétique, produit par des quasars et des étoiles chaudes. Les photons de courte longueur d'onde libèrent des électrons des atomes d'hydrogène qui composent le milieu intergalactique diffus et ce dernier est donc presque complètement ionisé. Cependant, il y a eu une première époque dans l'histoire de l'Univers où ce n'était pas le cas.
L'Univers émanait d'un état initial chaud et extrêmement dense, le soi-disant Big Bang. Les astronomes pensent maintenant qu'elle a eu lieu il y a environ 13 700 millions d'années.
Au cours des premières minutes, d'énormes quantités de protons, de neutrons et d'électrons ont été produits. L'Univers était si chaud que les protons et les électrons flottaient librement: l'Univers était entièrement ionisé.
Après environ 100 000 ans, l'Univers s'était refroidi à quelques milliers de degrés et les noyaux et les électrons se combinaient maintenant pour former des atomes. Les cosmologistes appellent ce moment «l'époque de la recombinaison». Le rayonnement de fond micro-ondes que nous observons maintenant de toutes les directions dépeint l'état de grande uniformité dans l'Univers à cette époque lointaine.
Cependant, ce fut aussi le moment où l'Univers plongea dans les ténèbres. D'un côté, le rayonnement relique de la boule de feu primordiale avait été étiré par l'expansion cosmique vers des longueurs d'onde plus longues et n'était donc plus en mesure d'ioniser l'hydrogène. Au contraire, il était piégé par les atomes d'hydrogène qui venaient de se former. De l'autre côté, aucune étoile ni quasar n'avait encore été formé qui pourrait illuminer le vaste espace. Cette ère sombre est donc raisonnablement surnommée «l'âge des ténèbres». Les observations n'ont pas encore pu pénétrer dans cette ère lointaine - nos connaissances sont encore rudimentaires et reposent toutes sur des calculs théoriques.
Quelques centaines de millions d'années plus tard, ou du moins selon les astronomes, certains tout premiers objets massifs se sont formés à partir des énormes nuages de gaz qui se sont déplacés ensemble. La première génération d'étoiles et, un peu plus tard, les premières galaxies et quasars, ont produit un rayonnement ultraviolet intense. Ce rayonnement ne pouvait cependant pas voyager très loin, car il serait immédiatement absorbé par les atomes d'hydrogène qui étaient à nouveau ionisés dans ce processus.
Le gaz intergalactique est ainsi redevenu ionisé dans des sphères en croissance constante autour des sources ionisantes. À un moment donné, ces sphères étaient devenues si grandes qu'elles se chevauchaient complètement: le brouillard sur l'Univers s'était levé!
Ce fut la fin du Moyen Âge et, avec un terme à nouveau repris de l'histoire humaine, on l'appelle parfois la «Renaissance cosmique». Décrivant la caractéristique la plus importante de cette période, les astronomes l'appellent également «l'époque de la réionisation».
Trouver les galaxies les plus éloignées avec le VLT
Pour éclairer l'état de l'Univers à la fin du Moyen Âge, il est nécessaire de découvrir et d'étudier des galaxies extrêmement lointaines (c'est-à-dire à haut décalage vers le rouge [2]). Diverses méthodes d'observation peuvent être utilisées - par exemple, des galaxies éloignées ont été trouvées au moyen de l'imagerie à bande étroite (par exemple, ESO PR 12/03), en utilisant des images qui ont été améliorées par gravitation par des amas massifs, et aussi par hasard.
Matthew Lehnert du MPE à Garching, en Allemagne, et Malcolm Bremer de l'Université de Bristol, au Royaume-Uni, ont utilisé une technique spéciale qui tire parti du changement des couleurs observées d'une galaxie éloignée qui est causé par l'absorption dans le milieu intergalactique intermédiaire. Des galaxies à des décalages vers le rouge de 4,8 à 5,8 [2] peuvent être trouvées en recherchant des galaxies qui semblent relativement brillantes dans la lumière optique rouge et qui sont faibles ou non détectées dans la lumière verte. De telles «ruptures» dans la distribution de la lumière des galaxies individuelles fournissent des preuves solides que la galaxie pourrait être située à un décalage vers le rouge élevé et que sa lumière a commencé son long voyage vers nous, seulement environ 1000 millions d'années après le Big Bang.
Pour cela, ils ont d'abord utilisé l'instrument multimode FORS2 sur le télescope VLT YEPUN de 8,2 m pour prendre des photos extrêmement «profondes» à travers trois filtres optiques (vert, rouge et très rouge) d'une petite zone de ciel (40 min d'arc carré) , soit environ 5% de la taille de la pleine lune). Ces images ont révélé environ 20 galaxies avec de grandes ruptures entre les filtres vert et rouge, suggérant qu'elles étaient situées à un décalage vers le rouge élevé. Les spectres de ces galaxies ont ensuite été obtenus avec le même instrument, afin de mesurer leurs vrais décalages vers le rouge.
«La clé du succès de ces observations a été l'utilisation du grand nouveau détecteur amélioré par rouge disponible sur FORS2», explique Malcolm Bremer.
Les spectres ont indiqué que six galaxies sont situées à des distances correspondant à des décalages vers le rouge entre 4,8 et 5,8; d'autres galaxies étaient plus proches. Étonnamment, et pour le plus grand plaisir des astronomes, une ligne d'émission a été vue dans une autre galaxie faible qui a été observée par hasard (elle se trouvait justement dans l'une des fentes de FORS2) qui pourrait peut-être se trouver encore plus loin, lors d'un décalage vers le rouge de 6.6. Si cela était confirmé par des observations ultérieures plus détaillées, cette galaxie serait un concurrent pour la médaille d'or comme la plus éloignée connue!
Les premières galaxies connues
Les spectres ont révélé que ces galaxies forment activement des étoiles et n'ont probablement pas plus de 100 millions d'années, peut-être même plus jeunes. Cependant, leur nombre et leur luminosité observée suggèrent que les galaxies lumineuses à ces décalages vers le rouge sont moins et moins lumineuses que les galaxies sélectionnées de la même manière plus près de nous.
«Nos résultats montrent que la lumière ultraviolette combinée des galaxies découvertes est insuffisante pour ioniser complètement le gaz environnant», explique Malcom Bremer. «Cela nous amène à la conclusion qu'il doit y avoir beaucoup plus de galaxies plus petites et moins lumineuses dans la région de l'espace que nous avons étudiées, trop faibles pour être détectées de cette façon. Ce doivent être ces galaxies encore invisibles qui émettent la majorité des photons énergétiques nécessaires pour ioniser l'hydrogène dans l'Univers. »
"La prochaine étape sera d'utiliser le VLT pour trouver des galaxies plus nombreuses et plus faibles à des décalages vers le rouge encore plus élevés", ajoute Matthew Lehnert. "Avec un plus grand échantillon de ces objets éloignés, nous pouvons alors obtenir un aperçu de leur nature et de la variation de leur densité dans le ciel."
Une première britannique
Les observations présentées ici sont parmi les premières découvertes majeures de scientifiques britanniques depuis que le Royaume-Uni est devenu membre de l'ESO en juillet 2002. Richard Wade du Particle Physics and Astronomy Research Council (PPARC), qui finance la souscription britannique à l'ESO, est très heureux : «En rejoignant l'Observatoire européen austral, les astronomes britanniques ont obtenu l'accès à des installations de premier plan mondial, comme le VLT. Ces nouveaux résultats passionnants, dont je suis sûr qu'il y en aura beaucoup d'autres à venir, illustrent comment les astronomes britanniques contribuent aux découvertes de pointe. »
Plus d'information
Les résultats décrits dans ce communiqué de presse sont sur le point d'apparaître dans la revue de recherche Astrophysical Journal («Luminous Lyman Break Galaxies at z> 5 and the Source of Reionization» par M. D. Lehnert et M. Bremer). Il est disponible par voie électronique sous le numéro astro-ph / 0212431.
Remarques
[1]: Il s'agit d'un communiqué de presse ESO / PPARC coordonné. La version PPARC de la version peut être trouvée ici.
[2]: Ce travail a été réalisé par Malcolm Bremer (Université de Bristol, Royaume-Uni) et Matthew Lehnert (Max-Planck-Institut f? Extraterrestrische Physik, Garching, Allemagne).
[3]: Les décalages vers le rouge mesurés des galaxies dans le champ profond de Bremer sont z = 4,8-5,8, avec un décalage vers le rouge inattendu (et surprenant) de 6,6. En astronomie, le décalage vers le rouge désigne la fraction par laquelle les raies du spectre d'un objet sont déplacées vers des longueurs d'onde plus longues. Le décalage vers le rouge observé d'une galaxie éloignée fournit une estimation de sa distance. Les distances indiquées dans le présent texte sont basées sur un âge de l'Univers de 13,7 milliards d'années. Au décalage vers le rouge indiqué, la raie Lyman-alpha d'hydrogène atomique (longueur d'onde de repos 121,6 nm) est observée entre 680 et 920 nm, c'est-à-dire dans la région spectrale rouge.
Source d'origine: communiqué de presse de l'ESO
