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Les galaxies les plus lointaines

Aux frontières de l'Univers (II)

Les redshifts photométriques

Un exemple de redshift déterminé à partir de données photométriques et donc peu fiables est la campagne "Hubble Ultra Deep Field" 2012 (HUDF 2012) au cours de laquelle l'équipe de Richard Ellis et une équipe de l'Université d'Edimbourg découvrirent plusieurs galaxies extrêmement éloignées sur une photographie composite du champ très profond de la constellation du Fourneau prise par le Télescope Spatial Hubble.

Comme on le voit ci-dessous, sept galaxies pâles ont été identifiées présentant un décalage Doppler "photométrique" compris entre z=8.6, 8.8, 9.5 et 11.9. Ces galaxies nous apparaissent telles qu'elles étaient il y a 13.2 à 13.4 milliards d'années, au cours d'une période qui s'étend entre 380 et 600 millions d'années après le Big Bang, la plus éloignée évoluant dans un Univers ayant moins de 3% de son âge actuel, en pleine ère de réionisation.

Les encarts N/B présentés ci-dessous ont été enregistrés en proche infrarouge par la caméra WFC3 du Télescope Spatial Hubble.

La galaxie à z=11.9 et quelques autres candidates à z=8.6 et supérieurs découvertes dans la constellation du Fourneau au cours de la campagne HUDF de 2012. Documents NASA/ESA/STScI.

L'inconvénient est que la mesure du décalage Doppler de ces galaxies et notamment de celle à z=11.9 n'est pas assez précis et ce record de distance ne peut donc pas être validé à 100%. Il faudra donc attendre d'obtenir un spectre à haute résolution. Même cas pour MACS0647-JD. 

MACS0647-JD : z=10.8

Le 1er janvier 2013, l'équipe de Dan Coe du STScI annonça dans l'"Astrophysical Journal" la découverte de la galaxie MACS0647-JD à z=10.8 soit 13.38 milliards d'années-lumière dans la constellation de la Girafe (Camelopardalis). Cette galaxie d'une magnitude de +26 en proche infrarouge (~1400-1700 nm) nous apparaît telle qu'elle est dans un Univers ayant 3% de son âge actuel.

En fait le calcul de son décalage Doppler fut obtenu par photométrie et est donc potentiellement entaché d'une grande marge d'erreur ce qui ne permet pas de valider à 100% sa distance.

Coe et son équipe ont observé cette galaxie le 5 octobre et le 29 novembre 2011 en profitant du programme CLASH (Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble) pour identifier cette galaxie grâce à l'effet de lentille gravitationnelle induit par l'amas MACS J0647+7015 situé à l'avant-plan. En effet, en raison de sa masse importante, cet amas a créé trois images (JD1, JD2 et JD3) de cette galaxie, respectivement amplifiées ~80, 7 et 2 fois.

Localisation de la galaxie MACS0647-JD dans la Girafe. Document préparé par l'auteur. Au centre, les trois images de la galaxie MACS0647-JD créées par l'effet des lentilles gravitationnelles de l'amas MACS 0647+7015. L'image du centre couvre une largeur de 94" ou 2 millions d'années-lumière. A droite, illustration artistique de la galaxie. Elle se déplace tellement vite qu'elle paraît rouge. Documents A.Fujii/T.Lombry/STScI, NASA/ESA/STScI et T.Lombry.

MACS0647-JD ne couvre pas plus de 0.1" sur les photographies et est une jeune galaxie qui mesure seulement 600 années-lumière de diamètre. Elle est plus petite que la plupart des galaxies naines (par ex. SagDEG, satellite de la Voie Lactée, mesure 10000 a.l.).

Comme beaucoup de galaxies situées à très grandes distance, les raies spectrales dans la partie UV de son spectre apparaissent dans l'infrarouge, tellement décalées qu'observée en lumière blanche, cette galaxie paraît rouge.

UDFj-39546284 : z~10

La galaxie UDFj-39546284 fut découverte en 2011 par l'équipe dirigée par Rychard J.Bouwens de l'Université de Lieden sur les images infrarouge du champ ultra profond de la constellation du Fourneau prises par le Télescope Spatial Hubble.

Cette galaxie présente un décalage Doppler z~10 également basé sur des estimations photométriques. Son âge est estimé à plus de 13.2 milliards d'années et sa magnitude apparente (en lumière verte) inférieure à +30.1.

L'objet est une galaxie compacte contenant des étoiles bleues qui existaient 480 millions d'années après le Big Bang, soit dans un Univers ayant 4% de son âge actuel. Cette galaxie mesure environ 1000 années-lumière, soit un centième de la Voie Lactée.

La galaxie UDFj-39546284. Document NASA/ESA/STScI. A droite, l'image prise par l'équipe HUDF09.

La photographie qui servit de référence fut réalisée avec la caméra WFC3 durant la campagne HUDF 2009-2010 et nécessita un total de 8 jours de temps d'intégration répartis sur 111 orbites.

Rappelons que la mission Planck a reculé l'ère stellaire durant laquelle se formèrent les protogalaxies, les quasars et où l'Univers des étoiles commença à briller. Cette époque aurait débuté à z=8.8 soit 560 millions d'années après le Big Bang, il y a quelque 13.24 milliards d'années.

UDFy-38135539 : z=8.55

Cette galaxie fut découverte en 2009 par trois équipes dirigées par Rychard J.Bouwens de l'Université de Lieden sur les images infrarouge du champ ultra profond de la constellation du Fourneau prises par la caméra WCF3 du Télescope Spatial Hubble. L'objet fut initialement catalogué sous le code UDF-38135539.

La galaxie UDFy-38135539. Document ESO.

La distance de la galaxie UDFy-38135539 alias HUDF.YD3 fut calculée en 2010 par l'équipe franco-britannique de Matt D. Lehnert du GEPI (Obs.de Paris) grâce à l'instrument SINFONI du VLT.

Cette galaxie présente une raie de l'hydrogène Lyman α (partie UV du spectre à 121.5 nm) décalée jusque 1160 nm, c'est-à-dire dans le proche infrarouge, ce qui a permis de déterminer son décalage Doppler z=8.55. Son âge est estimé à environ 13.2 milliards d'années.

Cette galaxie s'est formée environ 600 millions d’années après le Big-Bang, à l’époque de la réionisation, lorsque l’Univers était encore constitué d’hydrogène neutre que les protogalaxies ont commencé àioniser.

UDFy-38135539 est une petite galaxie mesurant environ 10000 années-lumière de diamètre et contenant 1 milliard détoiles. Sa magnitude apparente est de +28.1.

Abell2744_Y1 : z=7.98

Grâce à "Frontier Fields" et à l'oeil perçant du Télescope Spatial Hubble, en 2014 une équipe internationale d'astronomes dirigée par Nicolas Laporte de l’Institut d’Astrophysique des Canaries (IAC) ont découvert la galaxie Abell2744_Y1 qui sans ce programme serait passée inaperçue. C'est le télescope Spitzer ensuite qui en fit un gros-plan.

Abell2744_Y1 est située dans l'amas Abell 2744 de Pandore déjà connu pour ses 3000 et quelques galaxies pâles très lointaines, ses lentilles gravitationnelles multiples et sa matière sombre.

Comme on le voit sur la photo suivante, cette galaxie excessivement pâle (Mph < 30) présente une couleur rouge prononcée en raison de son éloignement extrême et affiche un décalage Doppler z=7.98, ce qui représente une distance de 13.149 milliards d'années-lumière. En d'autres termes, cette galaxie s'est formée environ 650000 ans après le Big Bang.

Abell2744_Y1 est ~ 30 fois plus petite que la Voie Lactée mais produit 10 fois plus d'étoiles.

La galaxie Abell 2744_71. Document NASA/ESA/STScI adaptés par l'auteur.

EGS-zs8-1 : z=7.73

La galaxie EGS-zs8-1 présentée ci-dessous à gauche découverte le 5 mai 2015 dans la constellation du Bouvier par une équipe internationale d'astronomes grâce aux images des télescopes spatiaux Hubble et Spitzer. Sa magnitude apparente est de +25.03 et son diamètre apparent est d'une fraction de seconde d'arc.

Grâce au spectrographe infrarouge multi-objet MOSFIRE du télescope Keck de 10 m de diamètre installé à Hawaii, les astronomes ont pu obtenir des spectres après 2 heures d'intégration et calculer son décalage Doppler z=7.730, ce qui correspond à une distance d'environ 13.14 milliards d'années-lumière; cette galaxie s'est formée environ 650000 ans après le Big Bang. Sa masse est estimée à environ 109.9 M (7.94 milliards de masses solaires) soit plus de trente fois inférieure à celle de la Voie Lactée (estimée à 2.5x1011 M).

EGS-zs8-1 présente une magnitude absolue d'environ -22, c'est-à-dire qu'elle est aussi brillante dans l'absolu que la radiosource M87 (Virgo A) située à 54 millions d'annés-lumière, la plus brillante de l'amas de la Vierge. On peut donc supposer que EGS-zs8-1 ne rayonne pas uniquement par l'effet de la nucléosynthèse propre aux étoiles actives mais entretient d'autres processus, nonthermiques (comme les rayonnements issus d'un trou noir ou d'un front choc fortement excité dans un nuage de gaz).

Les galaxies EGS-zs8-1 (à gauche, colorée en bleu artificiellement pour souligner sa jeunesse) et z8_GND_5296 (à droite) photographiées avec le Télescope Spatial Hubble. Nous voyons deux galaxies telles qu'elles étaient il y a plus de 13.1 milliards d'années. Documents NASA/ESA/STScI.

z8_GND_5296 : z=7.51

Enfin, citons la galaxie z8_GND_5296 présentée ci-dessus à droite qui fut découverte en 2013 dans la Grande Ourse grâce aux enregistrements des télescopes Hubble et Keck I et II d'Hawaii. Son décalage Doppler z=7.51. Cette galaxie se trouve à 13.1 milliards d'années-lumière. Nous la voyons telle qu'elle était environ 700000 ans après le Big Bang.

En complément, les photographies prises avec le Télescope Spatial Hubble ont permis d'identifier au moins 8 galaxies au-delà de z=7.5. Leur densité diminue d'un facteur 2.5 entre z=6 et z=7 et d'un facteur ~2 vers z=8.

En guise de conclusion

Si les astronomes découvrent régulièrement des galaxies de plus en plus lointaines, ils doivent encore déterminer la nature de ces objets qui ne ressemblent pas du tout à des galaxies classiques ainsi que l'origine du rayonnement parfois intense qu'elles émettent qui traversa tout l'univers pour arriver jusqu'à nous.

Espérons que le futur télescope spatial JWST de 6.5 m d'ouverture qui devrait être lancé en 2021 nous révélera la nature de ces objets singuliers et nous permettra de découvrir ces fameuses protogalaxies et ses protoétoiles de la première génération. Rappelons que grâce à ses capteurs sensibles à l'infrarouge, le JWST sera capable de détecter des galaxies situées à 13.5 milliards d'années-lumière, présentant un redshift z entre 15 et 30.

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