Communiqué de presse

ALMA observe l'oxygène le plus lointain jamais détecté

16 juin 2016

Une équipe d'astronomes a détecté, au moyen du Vaste Réseau (Sub-)Millimétrique de l'Atacama (ALMA), de l'oxygène en émission au sein d'une lointaine galaxie observée telle qu'elle était 700 millions d'années seulement après le Big Bang. Il s'agit de la galaxie la plus distante dans laquelle de l'oxygène a été détecté sans ambiguïté aucune, sans doute ionisé par l'intense rayonnement en provenance de jeunes étoiles géantes. Cette galaxie pourrait être l'une des sources de la réionisation cosmique survenue au début de l'Univers.

Des astronomes d'origines japonaise, suédoise, britannique et de l'ESO ont observé, au moyen du Vaste Réseau (Sub-)Millimétrique de l'Atacama (ALMA), l'une des galaxies les plus distantes connues à ce jour. SXDF-NB1006-2 se situe à un redshift de 7.2, ce qui signifie qu'elle nous apparaît telle qu'elle était 700 millions d'années seulement après le Big Bang.

L'équipe était partie à la recherche d'éléments chimiques lourds [1] au sein de cette galaxie, susceptibles de nous renseigner sur le taux de formation stellaire, et donc sur cette période de l'histoire de l'Univers baptisée réionisation cosmique.

“La quête d'éléments lourds dans l'Univers jeune permet de déterminer le taux de formation stellaire à cette époque” détaille Akio Inoue de l'Université d'Osaka Sangyo au Japon, principal auteur de l'article de recherche à paraître dans la revue Science. “L'étude des éléments chimiques lourds nous renseigne par ailleurs sur le processus de formation des galaxies ainsi que sur les causes de la réionisation cosmique”, ajoute-t-il.

Avant que les premières structures gravitationnelles n'apparaissent, l'Univers était constitué de gaz neutre. Puis, lorsque les premiers objets ont commencé à briller, quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, leur intense rayonnement rompit la neutralité des atomes de ce gaz, en l'ionisant. Au cours de cette phase, baptisée réionisation cosmique, l'Univers dans son intégralité se transforma radicalement. Le type d'objets responsables de la réionisation suscite aujourd'hui encore de nombreux débats. L'étude des conditions régnant au sein des galaxies les plus lointaines constitue une sérieuse piste de réflexion.

Avant d'observer cette lointaine galaxie, les astronomes ont effectué des simulations numériques dans le but d'estimer la probabilité d'y observer de l'oxygène ionisé grâce à ALMA. Ils ont également pris en compte des résultats d'observation de semblables galaxies situées à bien plus grande proximité de la Terre, et conclurent que les raies d'émission de l'oxygène ionisé pourraient être détectables, même à si grande distance [2].

Sur la base de ces éléments, ils ont effectué des observations d'une grande résolution au moyen d'ALMA [3] et détecté un rayonnement en provenance du gaz d'oxygène ionisé présent dans SXDF-NB1006-2. Il s'agit de la détection d'oxygène ionisé la plus lointaine jamais réalisée avec succès et sans la moindre ambiguïté [4]. Elle atteste de la présence d'oxygène dans l'Univers jeune, âgé seulement de 700 millions d'années.

Il est apparu que l'oxygène était dix fois moins abondant dans SXDF-NB1006-2 qu'il ne l'est dans le Soleil. “Cette faible abondance s'explique par le fait que l'Univers était encore jeune à cette époque et que la formation stellaire n'en était qu'à ses balbutiements”, précise Naoki Yoshida de l'Université de Tokyo. “Nos simulations ont effectivement prédit une abondance dix fois moindre que celle du Soleil. Un autre résultat s'est toutefois avéré inattendu : la très faible quantité de poussière”.

L'équipe n'a pas été en mesure de détecter la moindre raie d'émission du carbone au sein de cette galaxie, ce qui signifie que cette jeune galaxie renferme très peu de gaz d'hydrogène non ionisé. En outre, il est apparu qu'elle ne contenait qu'une faible quantité de poussière, riche en éléments lourds. “Quelque chose d'inhabituel doit se produire au sein de cette galaxie”, ajoute Inoue. “J'ai le sentiment que la plupart du gaz est hautement ionisé”.

La détection d'oxygène ionisé révèle que de nombreuses étoiles très brillantes, des dizaines de fois plus massives que le Soleil, sont nées au sein de cette galaxie et émettent un intense rayonnement ultraviolet, responsable de l'ionisation des atomes d'oxygène.

L'absence de poussière au sein de cette galaxie permet à l'intense rayonnement ultraviolet de s'échapper et d'ioniser de vastes quantités de gaz situé à l'extérieur de la galaxie. Ainsi donc, “SXDF-NB1006-2 constituerait un exemple de sources lumineuses responsables de la réionisation cosmique”, conclut Inoue.

“Ce résultat offre une importante clé de compréhension du type d'objets impliqués dans la réionisation cosmique” ajoute Yoichi Tamura de l'Université de Tokyo. “Notre nouvelle campagne d'observations avec ALMA a d'ores et déjà commencé. Des observations dotées d'une résolution plus élevée nous permettront de connaître la distribution ainsi que le mouvement des atomes d'oxygène ionisé au sein de la galaxie et nous fourniront des éléments indispensables à la compréhension des propriétés de cette galaxie”.

Notes

[1] Dans le domaine de l'astronomie, les éléments chimiques plus lourds que le lithium sont considérés comme des éléments lourds.

[2] AKARI, le satellite japonais d'observation du ciel dans l'infrarouge, a détecté une raie d'émission de l'oxygène particulièrement intense dans le Grand Nuage de Magellan, dont l'environnement présente des caractéristiques semblables à celle de l'Univers jeune.

[3] La longueur d'onde de la raie d'émission de l'oxygène doublement ionisé est de 0,088 millimètres. Toutefois, en raison de l'expansion de l'Univers, la longueur d'onde de l'émission en provenance de SXDF-NB1006-2 s'est trouvée décalée à 0,725 millimètres, ce qui a permis de la détecter au moyen d'ALMA.

[4] Des travaux antérieurs menés par Finkelstein et al suggéraient la présence d'oxygène à une époque légèrement antérieure. Contrairement à la présente étude, ils ne se basaient toutefois pas sur la détection directe d'une raie en émission.

Plus d'informations

Ce travail de recherche a fait l'objet d'un article intitulé “Detection of an oxygen emission line from a high redshift galaxy in the reionization epoch” par Inoue et al., paru au sein de la revue Science.

L'équipe est composée de Akio Inoue (Université d'Osaka Sangyo, Japon), Yoichi Tamura (Université de Tokyo, Japon), Hiroshi Matsuo (NAOJ / Université des Hautes Etudes, Japon), Ken Mawatari (Université d'Osaka Sangyo, Japon), Ikkoh Shimizu (Université d'Osaka, Japon), Takatoshi Shibuya (Université de Tokyo, Japon), Kazuaki Ota (Université de Cambridge, Royaume-Uni), Naoki Yoshida (Université de Tokyo, Japon), Erik Zackrisson (Université d'Uppsala, Suède), Nobunari Kashikawa (NAOJ / Université des Hautes Etudes, Japon), Kotaro Kohno (Université de Tokyo, Japon), Hideki Umehata (SO, Garching, Allemagne; Université de Tokyo, Japon), Bunyo Hatsukade (NAOJ, Japon), Masanori Iye (NAOJ, Japon), Yuichi Matsuda (NAOJ / Université des Hautes Etudes, Japon), Takashi Okamoto (Université d'Hokkaido, Japon) et Yuki Yamaguchi (Université de Tokyo, Japon).

Le Vaste Réseau (Sub-)Millimétrique de l'Atacama (ALMA), une installation astronomique internationale, est le fruit d'un partenariat entre l'ESO, la U.S. National Science Foundation (NSF) et le National Institutes of Natural Sciences (NINS) du Japon en coopération avec le Chili. ALMA est financé par l'Observatoire Européen Austral (ESO) pour le compte de ces Etats membres, la NSF en coopération avec le National Research Council du Canada (NRC), le National Science Council of Tawain (NSC) et le NINS en coopération avec l’Academia Sinica (AS) in Taiwan et le Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).

La construction et la gestion d'ALMA sont supervisées par l'ESO pour le compte de ses Etats membres, par le National Radio Astronomy Observatory (NRAO), dirigé par Associated Universities, Inc (AUI) en Amérique du Nord, et par le National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) pour l'Asie de l'Est. L’Observatoire commun ALMA (JAO pour Joint ALMA Observatory) apporte un leadership et un management unifiés pour la construction, la mise en service et l’exploitation d’ALMA.

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 39 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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Ce texte est une traduction du communiqué de presse de l'ESO eso1620.