Communiqué de presse

Les galaxies noires de l’Univers primordial observées pour la première fois

11 juillet 2012

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 de 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.

Etant 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.

Plus d'informations

Cette recherche a été présentée dans un article intitulé "Detection of dark galaxies and circum-galactic filaments fluorescently illuminated by a quasar at z=2.4", par Cantalupo et al. publié dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

L'équipe est composée de Sebastiano Cantalupo (University of California, Santa Cruz, USA), Simon J. Lilly (ETH Zurich, Suisse) et Martin G. Haehnelt (Kavli Institute for Cosmology, Cambridge, Royaume Uni).

L'année 2012 marque le 50e anniversaire de la création de l'Observatoire Européen Austral (ESO). L'ESO est la première organisation intergouvernementale pour l'astronomie en Europe et l'observatoire astronomique le plus productif au monde. L'ESO est soutenu par 15 pays : l'Allemagne, l'Autriche, la Belgique, le Brésil, le Danemark, l'Espagne, la Finlande, la France, l'Italie, les Pays-Bas, le Portugal, la République Tchèque, le Royaume-Uni, la Suède et la Suisse. L'ESO conduit d'ambitieux programmes pour la conception, la construction et la gestion de puissants équipements pour l'astronomie au sol qui permettent aux astronomes de faire d'importantes découvertes scientifiques. L'ESO joue également un rôle de leader dans la promotion et l'organisation de la coopération dans le domaine de la recherche en astronomie. L'ESO gère trois sites d'observation uniques, de classe internationale, au Chili : La Silla, Paranal et Chajnantor. À Paranal, l'ESO exploite le VLT « Very Large Telescope », l'observatoire astronomique observant dans le visible le plus avancé au monde et deux télescopes dédiés aux grands sondages. VISTA fonctionne dans l'infrarouge. C'est le plus grand télescope pour les grands sondages. Et, le VLT Survey Telescope (VST) est le plus grand télescope conçu exclusivement pour sonder le ciel dans la lumière visible. L'ESO est le partenaire européen d'ALMA, un télescope astronomique révolutionnaire. ALMA est le plus grand projet astronomique en cours de réalisation. L'ESO est actuellement en train de programmer la réalisation d'un télescope européen géant (E-ELT pour European Extremely Large Telescope) de la classe des 40 mètres qui observera dans le visible et le proche infrarouge. L'E-ELT sera « l'œil le plus grand au monde tourné vers le ciel ».

Liens

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Contacts

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Santa Cruz, USA
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Zurich, Switzerland
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Courriel: simon.lilly@phys.ethz.ch

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Ce texte est une traduction du communiqué de presse de l'ESO eso1228.