vendredi 30 novembre 2018

L'histoire de la formation stellaire révélée par des rayons gamma


Le taux de formation des étoiles en fonction de l'histoire de l'Univers vient d'être évalué grâce à une toute nouvelle méthode : l'atténuation différentielle des rayons gamma par la lumière de fond extragalactique qui baigne l'Univers à toutes les époques, l'EBL.




C'est le télescope spatial Fermi-LAT qui a permis cette mesure impressionnante. Fermi-LAT est plus un détecteur de rayons gamma qu'un télescope à proprement parler. Il est en orbite depuis 10 ans maintenant et est spécialisé dans l'observation des rayons gamma de plus plus haute énergie comme ceux qui sont produits par des rayons cosmiques de ultra-haute énergie ou par les GRB (Gamma Ray Bursts). C'est une nouvelle corde que viennent de mettre les astrophysiciens à l'arc de Fermi-LAT après l'avoir mené depuis deux ans dans le monde plein de promesses de l'astronomie à multi-messagers.
Lorsque des photons gamma de haute énergie traversent le milieu intergalactique, ils ont une probabilité non nulle de rencontrer un photon de lumière visible ou ultra-violette qui passe par là et qui forme ce qu'on appelle le fond de lumière extragalactique, l'EBL (Extragalactic Background Light). 

Ces photons de lumière proviennent de toutes les étoiles qui peuplent les galaxies. Dans une tranche spatio-temporelle d'Univers donnée, l'intensité de l'EBL est donc plus ou moins forte car elle dépend directement du nombre d'étoiles qui y sont présentes. Or les photons gamma en interagissant avec cette lumière de fond, produisent des paires électron-positron et disparaissent. Quand on observe spécifiquement des photons gamma d'énergie supérieure à une certaine valeur, on les voit alors disparaître en fonction de l'intensité de l'EBL. L'absorption des photons gamma est d'autant plus importante que la source d'émission est lointaine (et donc traverse plus d'espace intergalactique), et d'autant plus importante que leur énergie initiale est importante.

Les astrophysiciens de la collaboration Fermi-LAT publient leur étude aujourd'hui dans Science. Ils utilisent l'absorption différente des photons gamma en fonction du redshift (l'époque cosmique) pour en déduire le nombre d'étoiles présentes à une époque donnée et donc l'évolution de leur taux de formation. Plus précisément, ils ont étudié la partie ultra-violette de l'EBL qui est plus associée aux étoiles jeunes ou en train de naître. Les chercheurs ont sélectionné 740 objets émetteurs de rayonnement gamma de plusieurs types : Un GRB, qui était la source la plus éloignée de leur échantillon, situé à un redshift supérieur à 4, là où l'Univers est âgé de moins de 1,5 milliards d'années, et 739 blazars (des jets de trous noirs supermassifs vus dans l'axe) un peu moins éloignés.

Ce que déduisent les astrophysiciens de Fermi-LAT de leurs observations, c'est que le taux de formation d'étoiles est passé par un maximum lorsque l'Univers avait 25% de son âge actuel, il y a environ 10,5 milliards d'années, correspondant à un redshift z=2. Cette conclusion, obtenue avec cette méthode inédite, est cohérente avec d'autres estimations indépendantes qui étaient fondées sur des grands relevés galactiques.
Après le pic de formation d'étoiles, le nombre de naissances d'étoiles n'a cessé de décroître jusqu'à aujourd'hui. Rappelons que notre galaxie produit en moyenne environ 1 étoile par an...


Si c'est la première fois que le taux de formation stellaire est estimé via la caractérisation de la partie ultraviolette de l'EBL, ce n'est pas la première fois que l'EBL est étudié à partir de rayons gamma, mais il s'agissait de photons gamma de plus haute énergie, détectés sur Terre, qui ne permettaient que de scanner l'EBL dans sa partie infra-rouge et visible. On peut citer les télescopes gamma High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), le Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes (MAGIC), et le Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS). Fermi-LAT vient donc compléter la caractérisation du fond diffus de lumière extragalactique déjà entamée depuis une vingtaine d'années.

Ce qui est très intéressant avec ces nouvelles mesures de la collaboration Fermi-LAT, c'est le mesure qui a été effectuée grâce à la bouffée de rayons gamma lointaine GRB 080916C situé à un redshift de 4,35. Car elle permet aux astrophysiciens de placer une limite supérieure sur le taux de formation stellaire à des redshifts supérieurs à 5 ou 6, car les photons de lumière venant de loin se retrouvent dans l'EBL qui est sondé à z=4,35. Et au delà de z=6, on arrive en effet dans l'époque de la réionisation, l'époque des toutes premières étoiles et des toutes premières galaxies. A cette époque cosmique, on pense que les premières étoiles ont émis suffisamment de photons dans l'ultra-violet lointain avec une énergie supérieure à 13,6 eV, pour ioniser l'hydrogène neutre qui peuplait alors l'Univers. Or le décalage vers le rouge existant entre cette époque reculée et l'endroit où se trouve GRB 080916C ramène cette longueur d'onde ionisante dans une zone ultraviolette plus proche du visible et bien adaptée pour absorber les photons gamma du GRB.
Les chercheurs de Fermi-LAT offrent donc un moyen inédit de sonder certaines hypothèses sur les sources de réionisation de l'Univers, par une manière indirecte. L'une de ces hypothèse est la présence de très nombreuses galaxies ultra-faiblement lumineuses. L'équipe de Fermi-LAT conclue de ses analyses à une baisse brusque du nombre de galaxies faiblement lumineuses mais qui fourniraient encore suffisamment de rayonnement UV ionisant.

L'astrophysique vient de progresser en mesurant des photons absorbés par d'autres photons. Ce n'est bien sûr qu'un début qui montre combien la caractérisation fine de la lumière de fond extragalactique, l'EBL, pourrait permettre d'explorer les époques les plus reculées dans l'espace et dans le temps.


Source

A gamma-ray determination of the Universe’s star formation history
The Fermi-LAT Collaboration
Science 362, 1031–1034 (30 november 2018)


Illustration

1) Carte du ciel gamma (E > 10 GeV) produite par Fermi-LAT, les 739 blazars utilisés dans cette étude sont représentés par des points colorés. On reconnait le plan de notre galaxie au centre. (NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration)

2) Principe de l'absorption des rayons gamma énergétiques par la lumière du fond extragalactique (Martin Raue 2011)

3) Vue d'artiste du télescope spatial Fermi-LAT (NASA/DOE / Fermi LAT Collaboration)