10/06/2015

Observation exceptionnelle des détails d'une galaxie à 11,5 milliards d'années-lumière

C'est une observation exceptionnelle qui vient d'être rendue publique et qui fait l'objet de pas moins de 8 articles de plusieurs équipes d'astrophysiciens du monde entier. Une galaxie éloignée de 11,5 milliards d'années-lumière a pu être observée et analysée avec des détails encore jamais atteints à une telle distance.



Pour analyser tranquillement la structure d'une galaxie, il faut d'une part qu'elle nous envoie suffisamment de lumière, et d'autre part qu'elle ne soit pas trop loin ou bien que nos télescopes soient suffisamment grands et efficaces pour obtenir une bonne résolution de l'image. Or, avec des galaxies à plus de 5 ou 10 milliards d'années-lumière, c'est quasi impossible de réunir ces deux paramètres. Mais c'est sans compter sur les subtilités de l'espace-temps. Comme on le sait, l'espace-temps est un tissu courbé par les masses qui s'y trouvent et s'y meuvent. Le trajet de la lumière est ainsi modifié par la présence de très grandes masses. Et la relativité générale prédit ainsi l'existence de ce qu'on appelle des lentilles gravitationnelles : la lumière  d'une galaxie très lointaine peut être déviée par une grosse concentration de masse située entre elle et nous. Cette forte concentration de masse peut être un amas de galaxies ou une grosse galaxie par exemple. 


La galaxie massive source de lentille gravitationnelle imagée par Hubble (à gauche), SDP .81 formant un anneau d'Einstein, imagée en infra-rouge par ALMA (au centre) et image reconstruite de la galaxie (à droite).
(ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/Y. Tamura (The University of Tokyo)/Mark Swinbank (Durham University)

Mais les lentilles gravitationnelles ne font pas que dévier la lumière lointaine, elles produisent également un véritable effet de lentille, en focalisant la lumière, l'image déformée de la galaxie lointaine est également amplifiée.
Cette galaxie est nommée HATLAS J090311.6+003906, mais aussi plus simplement SDP.81. Elle se trouve donc à la distance phénoménale de 11,5 milliards d'années-lumière et nous apparaît extrêmement déformée, si déformée qu'elle forme presque un anneau entier entourant la galaxie-lentille située entre elle et nous... Et sa lumière est amplifiée par un facteur d'environ 10...

C'est avec le réseau interférométrique ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) situé au Chili, que cette observation exceptionnelle a été effectuée fin 2014. Ce n'est pas un hasard, car ALMA, grâce à ses antennes mobiles, permet d'adapter la résolution qu'il permet d'atteindre, et a justement été déployé à ce moment là dans sa configuration la plus étendue depuis sa mise en service (les deux antennes les plus éloignées étaient séparées de  15 km).
A partir de cette galaxie vue en forme d'anneau, les astrophysiciens parviennent à en faire la déconvolution en faisant des hypothèses sur la masse de la galaxie-lentille, et reconstruisent alors la forme exacte de la galaxie SDP .81. La résolution spatiale obtenue par ALMA est sans commune mesure avec ce que peut encore faire le télescope spatial Hubble, meilleure d'un facteur 6! Les astrophysiciens y ont découvert par exemple des régions de formation d'étoiles très petites et très denses, avec des détails atteignant 100 années-lumière seulement... 100 années-lumière à 11,5 milliards d'années-lumière de distance... Ça laisse rêveur, non ?

le réseau ALMA (ESO)
Dès que ALMA a enregistré ces données précieuses provenant de SDP .81, plusieurs équipes internationales se sont ruées pour les étudier. Aujourd'hui, huit articles sortent, consacrés chacun à un aspect particulier soit de la galaxie SDP .81, soit de celle qui a servi de lentille. 4 articles ont déjà été acceptés pour publication et 4 autres sont en attente. 
Une équipe japonaise [1] s'est intéressée au profil de masse de la galaxie elliptique massive qui a fait lentille et démontre la présence d'un trou noir supermassif d'au moins 300 millions de masses solaires, dont la présence est rendue indispensable pour expliquer la forme si particulière de cet anneau d'Einstein.
L'équipe internationale menée par le britannique Mark Swinbank [2], quant à elle, s'est penché sur SDP.81 et montre quelle est la cinématique de cette galaxie ultra-lointaine, avec un disque en rotation à la vitesse de 320 km/s et ils en déduisent la masse dynamique de la galaxie : 35 milliards de masses solaires. Les chercheurs trouvent un disque instable et riche en gaz. Mais les données très résolues de ALMA leur permettent aussi d'identifier pas moins de 5 régions distinctes de formation d'étoiles, qui semblent affectées par la forte pression hydrostatique externe du milieu interstellaire les entourant (10000 fois plus forte que celle existant dans notre galaxie).

Le troisième article accepté pour publication par l'Astrophysical Journal Letters revient au consortium exploitant le réseau de télescopes ALMA et sa soixantaine de chercheurs [3]. Les observations y sont détaillées, notamment celles effectuées lors de la campagne de 'Long Baseline' de fin 2014 qui a permis cette prouesse d'atteindre une résolution spatiale de 23 milliarcsecondes. Et ALMA permet aussi de détecter l'émission infra-rouge de molécules particulières, par exemple le monoxyde de carbone (CO) ou l'eau. Au sujet de l'eau, ALMA a permis à cette occasion d'observer pour la première fois avec une image aussi résolue la raie d'émission de l'eau dans une source extragalactique.

Une quatrième équipe, germano-néerlandaise celle-ci [4], est parvenue à déduire des données de cette superbe lentille non seulement le taux de formation d'étoiles dans SDP .81 (315 masses solaires par an), mais aussi la masse de poussière présente dans cette galaxie (640 millions de masses solaires), et que le disque contient 3 régions denses où la poussière subirait des variations de température...


Ces zones compactes de nuages poussiéreux sont des réservoirs de gaz moléculaire froid, là où naissent les étoiles et leurs planètes. 

Les articles qui sont en attente de publication dans des revues à comité de lecture concernent notamment la structure de SDP .81 [5], où l'on découvre que le taux de formation d'étoiles y est 65 fois plus intense que ce qui est observé dans notre galaxie et qu'il serait dû à une fusion de galaxies entre elles, ou encore la galaxie d'avant-plan responsable de la lentille gravitationnelle [6] et son trou noir supermassif où les auteurs trouvent une masse qui doit être supérieure à 250 millions de masses solaires, en accord avec les résultats de l'équipe japonaise précédemment citée. 
Et une autre équipe de chercheurs japonais [7] a étudié les propriétés du gaz moléculaire et de la poussière de SDP.81 à l'aide de leur propre modèle de lentille et concluent également à une origine de fusion de galaxies pour expliquer les intenses formations d'étoiles poussiéreuses observées, qui prendraient place là où les deux galaxies ont commencé à fusionner et où ils détectent des signes de phénomènes de marées typiques de ce genre d'événement.
Pour finir, l'équipe menée par Matus Ribak a produit un second article consacré à l'étude de l'émission du monoxyde de carbone en provenance de SDP.81 [8], où ils mettent en évidence, rappelons-le, toujours à 11,5 milliards d'années-lumière de distance, que le disque de la galaxie est perturbé, montrant des composantes de vitesse multiples. Ils ont ajouté aux données de ALMA des données provenant du télescope Hubble ainsi que d'un radiotélescope  (le Karl Jansky Very Large Array) pour investiguer la structure morphologique des différentes composantes, et montrent la présence évidente d'une région de formation d'étoiles de 6500 années-lumière enfouie dans une plus grande structure de 50000 années-lumière de large.

Le nombre d'article dédiés à cette observation  de SDP .81 par ALMA est à la hauteur de cette découverte : exceptionnelle. C'est la première fois dans l'histoire de l'humanité que l'on parvient à caractériser aussi finement avec autant de détails un objet astrophysique dont les photons ont voyagé durant plus de 11 milliards d'années, qui se sont presque perdus en route autour d'un trou noir supermassif, et qui nous sont finalement arrivés portant avec eux leurs précieuses informations.
Et cette bonne nouvelle en cache une autre, qui est que... ce n'est qu'un début...


[1] High-resolution ALMA observations of SDP.81. I. The innermost mass profile of the lensing elliptical galaxy probed by 30 milli-arcsecond images
Yoichi Tamura et al.
accepté dans Publications of the Astronomical Society of Japan; http://arxiv.org/abs/1503.07605, 

[2] ALMA maps the Star-Forming Regions in a Dense Gas Disk at z~3
Mark Swinbank et al.,
sous presse Astrophysical Journal Letters; http://arxiv.org/abs/1505.05148 

[3] ALMA Long Baseline Observations of the Strongly Lensed Submillimeter Galaxy HATLAS J090311.6+003906 at z=3.042
ALMA Partnership,
sous presse Astrophysical Journal Letters; http://arxiv.org/abs/1503.02652

[4] ALMA imaging of SDP.81 - I. A pixelated reconstruction of the far-infrared continuum emission
M. Rybak et al
Accepté pour publication dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

[5] Revealing the complex nature of the strong gravitationally lensed system H-ATLAS J090311.6+003906 using ALMA
S. Dye et al.
soumis à Monthly Notices of the Royal Astronomical Society; http://arxiv.org/abs/1503.08720;

[6] The Inner Mass Distribution of the Gravitational Lens SDP.81 from ALMA Observations
Kenneth C. Wong et al.
soumis à Astrophysical Jounal Letters; http://arxiv.org/abs/1503.05558

[7] High-resolution ALMA Observations of SDP.81. II. Molecular Clump Properties of a Lensed Submillimeter Galaxy at z=3.042
Bunyo Hatsukade et al.
soumis à Publications of the Astronomical Society of Japan; http://arxiv.org/abs/1503.07997

[8] ALMA imaging of SDP.81 - II. A pixelated reconstruction of the CO emission lines
M. Rybak et al.,
Soumis aux Monthly Notices of the Royal Astronomical Society