mercredi 4 mars 2015

Observation en détails d'une galaxie extrêmement lointaine

Des galaxies très très lointaines, montrant un décalage vers le rouge supérieur à 7, soit une distance de plus de 13 milliards d’années-lumière ont été trouvées en assez grand nombre grâce au télescope spatial Hubble. Mais leur caractérisation s’est toujours avérée très difficile à partir de leur lumière ultra-violette qui permet généralement leur découverte. 


C’est en observant l’émission de gaz froid et de poussières dans l’infra-rouge lointain que l’on peut espérer obtenir des informations intéressantes sur la structure de ces galaxies.
Jusqu’à aujourd’hui, la galaxie la plus lointaine dont on a pu obtenir des informations spectrales en infra-rouge se situait à un décalage vers le rouge z=3,2 « seulement » (soit à 11,8 milliards d’années-lumière, voir la figure ci-dessous). Mais une équipe européenne impliquant  des astronomes danois, suédois, français, anglais et italien vient de mesurer pour la première fois le spectre d’une galaxie située à plus de 13,2 milliards d’années-lumière (montrant un décalage vers le rouge z=7,5).
Relation entre la distance (en A.L) et le décalage vers le rouge (redshift)

Cette galaxie se nomme A1689-zD1, il s’agit d’une galaxie archétypale des galaxies à formation d’étoiles intense de l’Univers jeune. Elle a pu être détectée et caractérisée grâce au fait qu’elle se trouve derrière un gros amas de galaxies, Abell 1689, qui produit sur elle un très fort effet de lentille gravitationnelle (déviation et amplification de sa lumière par son champ gravitationnel). Sa luminosité est ainsi amplifiée par un facteur 9,3, ce qui en fait, malgré sa faible luminosité intrinsèque, l’une des galaxies les plus brillantes situées à cette distance énorme.
Les astronomes parviennent à déterminer de nombreuses caractéristiques de cette galaxie, comme par exemple son taux de formation d’étoiles, via sa luminosité UV, et qui avoisine les 12 masses solaires par an. Elle produit donc environ un soleil par mois.

Ce que montre l’équipe animée par l’astronome danois Darach Watson, c’est aussi que A1689-zD1 semble déjà très évoluée : elle a (déjà) une relative grande masse stellaire (1,7 milliard de masses solaires en étoiles) et est déjà bien enrichie en poussières, avec un ratio poussières/gaz très similaire à celui de notre galaxie aujourd’hui. La masse totale de poussière est obtenue grâce à la mesure de la luminosité totale en infra-rouge qu’il faut corriger des effets de lentille et des effets du fond diffus cosmologique, et en faisant une hypothèse sur la température de cette poussière (ici 35 K), elle vaut la bagatelle de 40 millions de masses solaires. La masse de gaz, elle, est obtenue à partir de la taille de la galaxie et de son taux de formation d’étoiles, elle vaut 2 milliards de masses solaires.
La comparaison de la masse d’étoiles et de la masse de gaz montre que 55% de la matière baryonique de cette galaxie est sous forme de gaz, ce qui indique que cette galaxie a déjà formé la plupart de ses étoiles et métaux.
A1689-zD1 (Watson et al., Nature)

L’âge stellaire moyen y est estimé être de 80 millions d’années. La quantité de gaz ionisé « métallique » est signée par l’émission infra-rouge et indique que la galaxie a déjà fait exploser un certain nombre de supernovas. Vu l’âge des étoiles de cette galaxie, on en déduit de suite qu’il ne pouvait s’agir que d’étoiles très massives.  Quant à la quantité de poussière, l’origine est plus incertaine, mais le processus est forcément un processus rapide et l’observation de A1689-zD1 pose des limites fortes sur la vitesse d’enrichissement en poussière dans une galaxie présente dans un Univers d’à peine 500 millions d’années.
L’image qui se dégage pour cette galaxie est ou bien celle d’une galaxie formant des étoiles à un taux modéré depuis une centaine de millions d’années, ou bien celle d’une galaxie ayant connu une bouffée de formation d’étoiles très rapide et aujourd’hui en déclin. C’est en tous cas désormais la galaxie la plus lointaine connue à ce jour avec autant de paramètres astrophysiques.

Darach Watson et ses collègues concluent leur article paru dans Nature en évoquant les prouesses du réseau de radiotélescopes ALMA qui a permis de détecter A1689-zD1 en très peu de temps, ce qui offre des perspectives pour la découverte et l’étude d’autres galaxies aussi lointaines voire davantage, même sans l’aide de l’effet de lentille gravitationnelle.


Source :
A dusty, normal galaxy in the epoch of reionization
Darach Watson et al.
Nature , Published online 02 March 2015

2 commentaires :

Francis Bourcelot a dit…

Bonjour, je lis tous les deux jours vos articles (je suis accro) et il me revient toujours la même question, comment peut on voir une galaxie de 500 millions d années d'âge alors qu'elle est à 13 milliard d années lumière de nous ? Merci de m' éclairer

Dr Eric SIMON a dit…

Bonjour Francis, désolé pour l'addiction ;-) La lumière des toutes premières galaxies met environ 13 milliards d'années à nous parvenir, simplement parce que sa vitesse est finie. L'image de ces jeunes galaxies que nous voyons est celle de cette époque cosmique. Pendant que la lumière voyage, bien sûr la galaxie vieillit et évolue, mais c'est bien la galaxie jeune que nous voyons ici maintenant, sous la forme des photons qu'elle a produits quand elle avait 500 millions d'années par exemple et qui ont mis 13 milliards d'années pour arriver dans nos yeux.
Si je n'ai pas été clair, n'hésitez pas à me le dire.