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Les galaxies les plus lointaines

L'amas Abell 1689 situé à 2.2 milliards d'années-lumière dans la Vierge. Comment la plupart des amas lointains, il comprend des lentilles gravitationnelles et surtout 58 petites galaxies bleues primitives excessivement éloignées. Doc NASA/ESA/NRC/NAUM.

Aux frontières de l'Univers (I)

Grâce à l'astronomie spatiale et les grands télescopes équipés de moyens toujours plus sophistiqués pour sonder les profondeurs de l'univers, au cours des dernières années les astrophysiciens ont eu l'occasion d'étudier non seulement le ciel profond en lumière blanche mais également à travers tout le spectre des rayonnements, des ondes radios aux rayons gamma en passant par les infrarouges notamment.

Au cours de leurs recherches, les astrophysiciens ont découvert une poignée de galaxies situées à plus de 13 milliards d'années-lumière (z~7.5), une distance encore inaccessible au début des années 2000.

A de telles distances nous observons ces astres tels qu'ils étaient lorsque l'Univers avait moins de 5 % de sa taille actuelle soit moins de 2 milliards d'années-lumière de rayon (sachant que l'Univers observable présente un rayon d'environ 46.5 milliards d'années-lumière aujourd'hui compte tenu que le facteur d'échelle a été multiplié par 1093 depuis l'époque du découplage matière/rayonnement, quelque 380000 ans après le Big Bang).

A partir de z~7, nous pénétrons également dans l'Univers primitif où les premiers objets, galaxies et quasars, présentent (puisque nous les observons aujourd'hui) des propriétés physiques et chimiques que ne possèdent plus les objets nés ultérieurement, leur matière et leur combustible ayant été recyclés tandis que leur activité s'est progressivement stabilisée.

C'est l'époque de l'ère stellaire des nuages de gaz obscurs, de la réionisation de l'hydrogène par les protogalaxies, les premiers quasars et les étoiles hyperchaudes de Population III issues directement de la recombinaison.

C'est dans ce monde très éloigné de notre univers actuel, tant dans l'espace que par sa nature, que les astronomes ont découvert les galaxies les plus lointaines dont nous allons passer en revue quelques individus emblématiques. Mais auparavant, une précision s'impose.

La distance comobile

Dans la plupart des publications scientifiques destinées au public, les auteurs ont l'habitude de simplifier les explications pour les rendre plus compréhensibles mais en faisant cela ils créent des ambiguïtés entraînant parfois des confusions dans l'esprit des lecteurs. C'est en particulier le cas de la distance des galaxies. Aussi, pour éviter toute confusion, dans beaucoup d'articles scientifiques les auteurs ne citent que le décalage Doppler (z) sans préciser la distance des galaxies.

Nous avons expliqué à propos de la Création de l'Univers et dans la théorie du Big Bang que dans un Univers de géométrie homogène et isotrope (modèle FRW), grâce à un changement de coordonnées, en tenant compte du facteur d'échelle qui détermine l'expansion de l'Univers et des paramètres cosmologiques actuels (densité de matière, constante cosmologique, paramètre de Hubble, etc.), à partir du décalage Doppler d'une galaxie on peut déterminer sa distance actuelle ou distance comobile (généralement symbolisée par χ).

Ainsi, quand on lit qu'une galaxie à z=11.09 est distante de 13.4 milliards d'a.l., il faut comprendre que c'est la distance à laquelle elle se trouvait au moment où nous avons capté sa lumière. Nous la voyons aujourd'hui mais en réalité sa lumière l'a quittée il y a 13.4 milliards d'années. Entre-temps, la galaxie s'est éloignée en vertu de l'expansion de l'Univers. En réalité, "aujourd'hui" cette même galaxie se situe bien plus loin, à 32.2 milliards d'a.l.; il s'agit de sa distance comobile. Généralement cette distance n'est jamais mentionnée dans les publications (pas plus que sur ce site). Les calculettes suivantes permettent de calculer cette distance comobile.

Calculettes : Cosmological Calculator (modèle ΛCDM)

CosmoCalc, Edward L.Wright, UCLA

Convertisseur de magnitudes

Ceci étant précisé, voyons quels sont les moyens mis à disposition des astronomes pour observer et analyser ces galaxies lointaines.

Les outils à disposition des astronomes

Nous avons décrit dans l'article consacré aux outils pour sonder l'univers quels sont les divers moyens dont disposent les astronomes pour étudier l'univers, du télescope optique aux moyens informatiques en passant par le spectrographe intégral.

Nous allons à présent décrire le cas particulier de l'étude des galaxies dites à haut redshift, c'est-à-dire les plus éloignées dans l'Univers qui requièrent les instruments les plus puissants et les plus sophistiqués. Décrivons pour commencer les différents programmes d'études en commençant par les plus récents.

Le sondage GOODS

Le sondage GOODS acronyme de Great Observatories Origins Deep Survey combine les moyens des plus grands télescopes spatiaux Hubble, Spitzer, Chandra, Herschel et XMM-Newton, aux outils des grands observatoires terrestres tels ceux de l'ESO (VLT/ISAAC en bandes J, H, K, VIMOS en bande U, R, IR moyen et visible) et de la NOAO dans le but de sonder l'univers profond à la recherche des émissions les plus faibles à travers le spectre électromagnétique. 

La première ébauche de GOODS remonte à 2001 tandis que le sondage débuta en 2004 avec l'observation des lentilles gravitationnelles. Mais ce n'est qu'à partir de 2008 ou 2009 selon les télescopes que les astronomes eurent réellement eu accès aux données réduites (pouvant directement servir à l'analyse) des différents télescopes.

GOODS recherche toutes les traces de la formation et de l'évolution des galaxies à travers les temps cosmiques et cartographie l'histoire de l'expansion de l'Univers grâce à la spectroscopie des supernovae à haut décalage Doppler. 

Une petite région du ciel profond de l'hémisphère Sud photographiée par le Télescope Spatial Hubble. A gauche, une mosaïque d'images HD (le fichier de 18 mégapixels occupe 8 MB) prises avec la caméra ACS en 2004 et WFC3 en 2010 utilisées dans la cadre du sondage GOODS. Le champ s'étend sur 10' soit un tiers du diamètre de la Lune. L'image comprend environ 7500 galaxies identifiables dont les plus rouges se situent à environ 13 milliards d'années-lumière. A droite, une mosaïque de trois panneaux (la partie gauche est dans le tiers supérieur) publiée en 2016 (fichier de 16 MB). Documents NASA/ESA/STScI et al. et NASA/ESA/GOODS et al.

Le sondage GOODS couvre un champ d'environ 320 minutes d'arc carré réparties entre l'hémisphère Nord (HST) et l'hémisphère Sud (Chandra). Le télescope infrarouge Spitzer apporte toute sa finesse pour l'observation des objets les plus lointains entre 3.6 et 24 microns, tandis que le Télescope Spatial Hubble se focalise sur les images optiques (visibles) en haute-résolution, l'observatoire Herschel étant dédié à l'observation du ciel profond dans l'infrarouge lointain entre 100 et 500 microns. Enfin, les télescopes terrestres complètent ces données par l'imagerie et la spectroscopie.

C'est notamment grâce au sondage GOODS qu'on a découvert la première galaxie massive à z=6.5 en 2005 et la première galaxie à z=11 en 2016 (GN-z11, voir plus bas). Grâce à GOODS, Ray Villard du STScI et son équipe se sont également rendus compte que la sphère observable jusqu'à z=8 soit environ 13 milliards d'années-lumière contiendrait 2 trillions de galaxies mais du fait que la majorité d'entre elles sont très pâles, nos moyens actuels ne permettent d'observer que 10 % de cette population !

Le programme Frontier Fields

En 2012, un groupe d'astronomes comprenant des membres du STScI exploitant le Télescope Spatial Hubble (HST) et de divers instituts scientifiques (NASA, NOAO, Yale, INAF, etc) proposa une nouvelle méthode d'investigation pour sonder les frontières de l'Univers inaccessibles à Hubble. En effet, comme nous l'avons expliqué à propos de GOODS, au-delà d'une certaine distance cosmologique, ~13.2 milliards d'années-lumière, en raison de son diamètre et de son spectre limités, Hubble est incapable d'observer des galaxies plus pâles, même s'il multiplie les temps d'intégrations d'un million de minutes pour augmenter la qualité du signal. De ce fait, certains objets lointains apparaissent soit comme un pixel pâle sur les photos dont Hubble est incapable d'en révéler les détails soit ils ne s'enregistrent tout simplement pas.

En revanche, le télescope spatial Spitzer travaillant jusqu'en infrarouge lointain peut pénétrer plus profondément dans l'Univers et observer ces galaxies très lointaines avec une meilleure résolution. Il peut le cas échéant en obtenir un spectre exploitable afin de calculer la distance de l'objet.

Le projet du STScI auquel participe l'Europe s'est concrétisé en 2014 par le programme "Frontier Fields" (Les champs frontières). Ce programme qui comprend 840 orbites répartis sur 3 ans a pour but de permettre aux astronomes d'étudier les amas de galaxies lointains et de découvrir dans la continuité du programme CLASH de nouvelles galaxies et autres quasars grâce à l'effet amplificateur des lentilles gravitationnelles.

Grâce à "Frontier Fields", aujourd'hui les astronomes peuvent étudier le ciel ultra profond ou "Ultra Deep Field" (UDF) en haute résolution sans être limités par les contraintes spectrales dans toutes les longueurs d'ondes comprises entre 200 nm (UV) et 50000 nm ou 50 microns (IR lointain) ainsi que les rayons X grâce à trois télescopes travaillant de manière complémentaire :

Document NASA/ESA/STScI adapté par l'auteur.

- En lumière "blanche" grâce au HST dont le miroir primaire mesure 2.40 m de diamètre et offrant une résolution de 0.1". Depuis 2009, il est équipé de plusieurs caméras rassemblées dans deux systèmes, WFC3 et ACS couvrant le spectre entre 200 et 1000 nm ainsi que le proche infrarouge entre 800 et 1700 nm. Le HST dispose également d'un imageur et d'un spectromètre (NICMOS, STIS) sensibles au proche infrarouge et à l'ultraviolet (COS).

Concernant l'étude spectrale, l'un des systèmes de raies les plus faciles à détecter à grande distance est la série de Lyman de l'hydrogène. Sur Terre (référentiel statique), la raie Ly-α par exemple se trouve dans la partie UV du spectre, à 121.5 nm. Lorsque les galaxies présentent un décalage Doppler z > 8, cette raie d'émission est décalée au-delà de 1160 nm !

La série de raies de Lyman est très importante car elle représente la signature caractéristique d'un gaz d'hydrogène chauffé par le rayonnement UV des jeunes étoiles présentes dans cet Univers primordial.

Précisons que le HST n'est plus entretenu depuis 2013 et est à court de liquide de refroidissement pour les capteurs photosensibles notamment. Il continue donc de fonctionner au mieux en mode "chaud" jusqu'à ce que le JWST vienne le remplacement en 2018.

- En rayonnement infrarouge grâce au télescope spatial Spitzer dont le miroir primaire mesure 85 cm de diamètre. Il est couplé à un imageur photométrique sensible au proche et moyen infrarouges (3-8 microns), un spectroscope infrarouge (5-40 microns) et un spectrophotomètre sensible à l'infrarouge lointain (50-160 microns). Grâce à sa sensibilité en infrarouge, il épaule le HST lorsque celui-ci arrive à ses limites (photographiques ou spectrales).

- En rayonnement X grâce au satellite Chandra destiné à étudier les émissions des sources les plus chaudes ou les plus violentes du cosmos et indirectement de tracer le gaz chaud intra-amas et la matière sombre en collaboration avec le HST.

Depuis 2010, grâce à ses capteurs infrarouges, le Telescope Spatial Hubble est capable de sonder l'Univers jusqu'au-delà de z=11 soit plus de 13.4 milliards d'années-lumière ou environ 400 millions d'années après le Big Bang. Le futur télescope JWST de 6.5 m de diamètre plongera jusqu'à des z > 20 ou environ 200 millions d'années après le Big Bang.

Précisons que toutes les mesures de distances seront confirmées à partir de 2018, lorsque le télescope spatial JWST sera opérationnel.

Le programme CLASH

A partir de 2011 et durant 3 ans, les astrophysiciens ont disposé du programme CLASH (Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble) pour identifier les galaxies les plus éloignées. Cette méthode allie la puissance du Télescope Spatial Hubble à l'effet amplificateur des lentilles gravitationnelles présentes dans les 25 amas de galaxies les plus massifs.

Cette méthode de recherche a rapidement porté ses fruits. C'est ainsi qu'on découvrit en 2011 la galaxie MACS0647-JD à z=10.8 (voir plus bas).

La vidéo suivante décrit la formation des lentilles gravitationnelles.

A voir : Einstein's Rings and the Fabric of Space

Le spectrographe

Mais il ne suffit pas d'obtenir des photographies du ciel profond, encore faut-il obtenir des spectres exploitables de ces objets pour calculer leur distance. C'est ici qu'intervient la spectroscopie. Bien que le principe n'ait pas évolué depuis plus d'un siècle, l'analyse spectrale fait aujourd'hui appel à des techniques très sophistiquées. Malheureusement, étant donné le peu de temps d'observation disponible, les astronomes n'ont pas toujours la possibilité d'utiliser des spectrographes à haute résolution comme le VIMOS du VLT chaque fois qu'ils le désirent et doivent se rabattre sur le grism à basse résolution d'Hubble ou, au pire, se baser sur des données de couleur de la galaxie peut déterminer son décalage Doppler. La fiabilité des résultats dépend donc de la méthode utilisée.

Pour ne pas alourdir cet article, nous reviendrons en détails sur les différentes méthodes de calcul du décalage Doppler dans l'article consacré à la spectroscopie.

Les modèles théoriques

Enfin, n'oublions pas que ces outils applicatifs seraient pratiquement sous-exploités s'ils n'étaient pas complétés par des modèles théoriques, en particulier des programmes de simulation et des fonctions statistiques très puissantes qui aident les astronomes à formaliser leurs hypothèses au quotidien. Toutefois, ces outils théoriques ne remplacent pas les observations qui, en apportant in fine la preuve in situ, sont les seules données pouvant valider une théorie. Le meilleur exemple qu'une prédiction peut être invalidée par l'observation est la découverte de la galaxie GN-z11.

GN-z11 : z=11.09

Dans le cadre du sondage GOODS impliquant les télescopes Hubble et Spitzer, le 3 mars 2016 Pascal Oesch de l'Université de Yale et ses collègues ont annoncé la découverte de GN-z11, une galaxie qui se situe à z=11.09 soit 13.4 milliards d'années-lumière dans la Grande Ourse. Le calcul du décalage Doppler fut calculé sur base d'analyses spectroscopiques réalisées avec le grism du HST à basse résolution. Le résultat doit donc être affiné ultérieurement. Pour l'instant, cette galaxie détient le nouveau record de distance.

A voir : Hubble Team Breaks Cosmic Distance Record, NASA, 2016

GN-z11 et sa localisation dans la Grande Ourse. Documents NASA/ESA/STScI et Rogelio Andreo adapté par l'auteur

GN-z11 évolue dans un univers ayant 3 % de son âge actuel, au début de l'ère de réionisation (selon les données sur la polarisation du rayonnement à 2.7 K, à cette époque seulement 10 % de l'Univers était réionisé), environ 300 millions d'années avant la fin des Âges Sombres. GN-z11 est 25 fois plus petite que la Voie Lactée et sa masse est estimée à 1 milliard de masses solaires soit moins de 1 % de la Voie Lactée.

Cette galaxie transforme chaque année environ 24 masses solaires de gaz et de poussières en étoiles. On suppose qu'elle a rapidement grandit, son taux de formation stellaire étant 20 fois supérieur à celui de la Voie Lactée aujourd'hui, ce qui a permit à Hubble de la détecter et de l'analyser en détail.

Les astronomes ont toutefois été surpris qu'une galaxie aussi brillante et grande puisse exister seulement 200 à 300 millions d'années après la formation des premières étoiles car cet exemple n'est pas prédit par la théorie. Selon Garth Illingworth de l'Université de Californie à Santa Cruz, "son taux de croissance est vraiment très rapide, produisant des étoiles à un taux énorme pour former une galaxie d'un million de masses solaires si tôt", ce qui montre selon son collègue Ivo Labbe que "nous connaissons encore peu de choses sur l'Univers primordial". Il pose même la question "si nous ne sommes pas en train d'observer la première génération d'étoiles se formant autour des trous noirs ?" Le télescope JWST devrait nous en dire plus.

EGSY8p7 : z=8.68

Le 6 août 2015, une équipe internationale d'astronomes annonça la découverte de la galaxie EGSY8p7. Son décalage Doppler z=8.68. Il fut calculé sur base de spectres en haute résolution. La valeur est donc totalement fiable. Cette galaxie se situe à 13.23 milliards d'années-lumière. Après GN-z11, c'est donc la deuxième galaxie la plus éloignée de l'Univers. Cette galaxie évolue dans un Univers âgé de moins de 600 millions d'années soit juste un peu plus de 4 % de son âge actuel.

EGSY8p7 fut découverte par le doctorant Guido Roberts-Borsani du Collège Universitaire de Londres (UCL) sur les photographies prises grâce aux télescopes spatiaux Hubble et Spitzer.

La découverte fut ensuite confirmée par une équipe d'astronomes utilisant le spectrographe infrarouge multi-objet MOSFIRE du télescope WM Keck de 10 m  d'Hawaii. Un spectre infrarouge fut obtenu après un temps d'intégration total de 4.3 heures.

Les astronomes ont déterminé la distance de cette galaxie à partir de la position des raies en émission de la série Lyman de l'hydrogène, notamment la raie Ly-α à 121.5 nm décalées jusqu'à 1177.6 nm, dans la partie proche infrarouge de son spectre !

Images de la galaxie EGSY8p7. Documents I.Labbé/U.Leiden, NASA/ESA/JPL-Caltech et Keck adapté par l'auteur.

La découverte des raies de la série de Lyman en émission à une aussi grande distance était inespérée car elles peuvent facilement être absorbées tout le long de la ligne de visée par les nombreux atomes d'hydrogène présents dans le milieu intergalactique (c'est la fameuse "forêt Lyman α" typique des spectres d'absorption des galaxies et des quasars lointains).

Mais comme le précise l'astronome Adi Zitrin du Caltech,"en pénétrant plus profondément dans l'Univers et donc vers des époques plus jeunes, l'espace entre les galaxies contiendra de plus en plus de nuages sombres d'hydrogène qui absorberont les signaux".

"Les premières galaxies montrant un tel déclin spectral apparaissent lorsque l'Univers avait environ 1 milliard d'années, ce qui équivaut à un redshift d'environ z=6. A l'époque de z=8.68, l'Univers devrait être rempli de nuages d'hydogène absorbants", déclara Zitrin.

Cette observation apporte donc de nouveaux indices sur le processus de réionisation cosmique au cours duquel les nuages obscurs d'hydrogène furent séparés en leurs protons et électrons constitutifs par la première génération de galaxies, celle contenant des étoiles de l'hypothétique "Population III" constituées d'hydrogène et d'hélium primordiaux issus directement du Big Bang.

Les simulations de la réionisation cosmique suggèrent que l'Univers était totalement opaque au rayonnement Lyman-alpha durant les premiers 400 millions d'années de l'histoire cosmique. Ensuite, progressivement, à mesure que les premières galaxies sont apparues, l'intense rayonnement UV de leurs jeunes étoiles a brûlé cet hydrogène obscurcissant dans des bulles de plus en plus vastes qui finalement ont "ionisé" la totalité de l'espace compris entre les galaxies, composé d'électrons libres et de protons. Arrivé à ce stade, le rayonnement Lyman α a pu se propager librement dans l'Univers jusqu'à parvenir sur Terre.

Selon le doctorant Sirio Belli du Caltech, "EGSY8p7 est à la fois intrinsèquement très lumineuse et très éloignée, présentant de fortes émissions d'hydrogène suggérant qu'elle est alimentée par une population inhabituelle d'étoiles très chaudes. Il est possible que cela soit l'indice que les galaxies contribuent au processus de réionisation. On peut concevoir que ce processus se déroule dans certaines régions de l'espace évoluant plus rapidement que d'autres, par exemple en raison de variations de densité de la matière d'un endroit à l'autre.

Une explication alternative est de considérer EGSY8p7 comme le premier exemple d'une génération primordiale de galaxies présentant un intense rayonnement très ionisant".

A propos de l'analyse de son spectre et de la question de la réionisation cosmique, lire l'article d'Adi Zitrin et al. (ApJ, 2015).

Découverte de galaxies réionisant l'Univers

Grâce au programme "Frontier Fields" du HST, le 22 octobre 2015 et pour la première fois, une équipe internationale d'astronomes dirigée par Hakim Atek du Laboratoire d'Astrophysique de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) annonça avoir découvert plus de 250 galaxies naines impliquées dans le processus de réionisation de l'Univers.

Ces galaxies ont été découvertes dans trois amas de galaxies contenant des lentilles gravitationnelles, Abell 2744 (l'amas de Pandore), MACSJ0416.1-24503 et MACSJ0717.5+3745 et les champs associés présentant de hauts redshifts. A ce jour, c'est MACSJ0717 qui présente les plus grandes lentilles gravitationnelles.

Les amas de galaxies Abell 2744 (l'amas de Pandore, à gauche), MACSJ0416.1-24503 (centre) et MACSJ0717.5+3745 photographiées par les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer (les agrandissements font entre 8.5-10 MB). Le champ de chaque image couvre environ 3'x3'. Grâce à l'effet généré par les lentilles gravitationnelles, les astronomes ont découvert à l'arrière-plan des dizaines de galaxies naines situées à plus de 13 milliards d'années-lumière impliquées dans le processus de réionisation de l'univers. Documents NASA/ESA/STScI/Spitzer.

Les galaxies étudiées présentent un décalage Doppler compris entre z~6 et z~8, certaines se situant à plus de 13 milliards d'années-lumière. Leur magnitude apparente varie entre +26 et +29 pour une magnitude absolue comprise entre -17 et -20 (fonction de luminosité UV) et ce qui est très brillant à cette distance.

Ces galaxies ont la particularité de s'être formées entre 600 et 900 millions d'années après le Big Bang. L'analyse de leur spectre en ultraviolet a révélé qu'elles étaient impliquées dans le processus de réionisation de l'univers.

Rappelons que pendant la période des Âges Sombres qui débuta environ 300000 ans après le Big Bang et dura 400000 ans, l'Univers était essentiellement constitué d'hydrogène neutre totalement opaque au rayonnement. Il fallut attendre que le rayonnement UV des étoiles "chauffe" l'hydrogène neutre pour ioniser totalement le milieu intergalactique constitué de protons (noyaux d'hydrogène) et d'électrons libres et qu'il devienne transparent. Ce changement d'état a permis ensuite au rayonnement Lyman alpha de se libérer des nuages d'hydrogène ionisé. C'est ce rayonnement que les astronomes recherchent dans le spectre des galaxies et des quasars les plus éloignés.

Si on établit le bilan de la contribution des galaxies massives et lumineuses qu'on observe à plus courte distance, on constate que leur énergie n'est pas suffisante pour expliquer la réionisation de l'hydrogène. Le bilan doit tenir compte d'autres sources comme le vent stellaire émit par les premières étoiles dites de Population III, les explosions de ces mêmes étoiles en supernovae et sur les nombreuses galaxies naines primitives, d'où l'intérêt d'utiliser les télescopes les plus puissants.

Cette étude a montré que la fin de la réionisation se situe aux alentours de 900 millions d'années après le Big Bang, correspondant à z=7.5, donc un peu plus tard que prévu, ce que d'autres études avaient déjà indiquées.

Ces travaux furent publiés dans l'"Astrophysical Journal" dont voici le draft sur ArXiv et un résumé sur le site Hubble Space Telescope.

Notons qu'une étude similaire portant également sur l'amas Abell 2744 (Pandore) fut publiée en 2014 par l'équipe dirigée par Masafumi Ishigaki de l'Université de Tokyo et comprenant notamment Ryota Kawamata dont les travaux sont cités dans le même article et dont voici le draft sur ArXiv.

Deuxième partie

Les redshifts photométriques

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