Le puissant télescope Subaru d'Hawaï a trouvé la galaxie la plus éloignée jamais vue, située à 12,88 milliards d'années-lumière - ce n'est que 780 millions d'années après le Big Bang. Observer des objets aussi éloignés est extrêmement difficile, non seulement à cause des grandes distances impliquées, mais parce qu'une grande partie de l'Univers était obscurcie par l'hydrogène neutre. Les étoiles n'ont alors commencé à éliminer cet hydrogène neutre, rendant l'Univers transparent.
Les astronomes utilisant le télescope Subaru à Hawaï ont regardé 60 millions d'années plus loin dans le temps que tout autre astronome, pour trouver la galaxie connue la plus éloignée de l'univers. Ce faisant, ils maintiennent le record de Subaru pour trouver les galaxies les plus éloignées et les plus anciennes connues. Leur découverte la plus récente concerne une galaxie appelée I0K-1 qui se trouve si loin que les astronomes la voient telle qu'elle est apparue il y a 12,88 milliards d'années.
Cette découverte, basée sur des observations faites par Masanori Iye de l'Observatoire National Astronomique du Japon (NAOJ), Kazuaki Ota de l'Université de Tokyo, Nobunari Kashikawa de NAOJ, et d'autres indiquent que les galaxies n'existaient que 780 millions d'années après la naissance de l'univers il y a environ 13,66 milliards d'années sous la forme d'une soupe chaude de particules élémentaires.
Pour détecter la lumière de cette galaxie, les astronomes ont utilisé la caméra Suprime-Cam du télescope Subaru équipée d'un filtre spécial pour rechercher des galaxies éloignées candidates. Ils ont trouvé 41 533 objets, et parmi ceux-ci, ont identifié deux galaxies candidates pour une étude plus approfondie à l'aide de la caméra et du spectrographe à faible objet (FOCAS) sur Subaru. Ils ont constaté que l'IOK-1, le plus brillant des deux, avait un décalage vers le rouge de 6,964, confirmant sa distance de 12,88 milliards d'années-lumière.
Cette découverte met les astronomes au défi de déterminer exactement ce qui s'est passé entre 780 et 840 millions d'années après le Big Bang. IOK-1 est l'une des deux seules galaxies de la nouvelle étude qui pourraient appartenir à cette époque lointaine. Compte tenu du nombre de galaxies découvertes à partir de 840 millions d'années après le Big Bang, l'équipe de recherche s'attendait à trouver jusqu'à six galaxies à cette distance. La rareté comparative d'objets comme IOK-1 signifie que l'univers a dû changer au cours des 60 millions d'années qui séparent les deux époques.
L'interprétation la plus excitante de ce qui s'est passé est que nous assistons à un événement connu des astronomes comme la réionisation de l'univers. Dans ce cas, 780 millions d'années après le Big Bang, l'univers avait encore suffisamment d'hydrogène neutre pour bloquer notre vision des jeunes galaxies en absorbant la lumière produite par leurs jeunes étoiles chaudes. Soixante millions d'années plus tard, il y avait suffisamment de jeunes étoiles chaudes pour ioniser l'hydrogène neutre restant, rendant l'univers transparent et nous permettant de voir leurs étoiles.
Une autre interprétation des résultats indique qu'il y avait moins de jeunes et de grandes galaxies brillantes 780 millions d'années après le Big Bang que 60 millions d'années plus tard. Dans ce cas, la majeure partie de la réionisation aurait eu lieu il y a plus de 12,88 milliards d'années.
Quelle que soit l'interprétation qui prévaut finalement, la découverte signale que les astronomes creusent maintenant la lumière des «âges sombres» de l'univers. C'est l'époque où les premières générations d'étoiles et de galaxies ont vu le jour, et une époque que les astronomes n'ont pas pu observer jusqu'à présent.
INFORMATIONS D'ARRIÈRE-PLAN:
Archéologie de l'Univers ancien à l'aide de filtres spéciaux
Les galaxies nouveau-nées contiennent des étoiles avec un large éventail de masses. Les étoiles plus lourdes ont des températures plus élevées et émettent un rayonnement ultraviolet qui chauffe et ionise le gaz voisin. Au fur et à mesure que le gaz se refroidit, il dégage de l'énergie excédentaire pour qu'il puisse revenir à un état neutre. Dans ce processus, l'hydrogène émettra toujours de la lumière à 121,6 nanomètres, appelée ligne Lyman-alpha. Toute galaxie avec de nombreuses étoiles chaudes devrait briller à cette longueur d'onde. Si les étoiles se forment en une seule fois, les étoiles les plus brillantes pourraient produire des émissions de Lyman-alpha pendant 10 à 100 millions d'années.
Afin d'étudier des galaxies comme IOK-1 qui existent aux premiers temps dans l'univers, les astronomes doivent rechercher la lumière Lyman-alpha qui est étirée et décalée vers le rouge sur des longueurs d'onde plus longues à mesure que l'univers se développait. Cependant, à des longueurs d'onde supérieures à 700 nanomètres, les astronomes doivent faire face aux émissions de premier plan des molécules OH dans la propre atmosphère de la Terre qui interfèrent avec les faibles émissions des objets éloignés.
Pour détecter la faible lumière des galaxies éloignées, l'équipe de recherche avait observé à des longueurs d'onde où l'atmosphère terrestre ne brille pas beaucoup, à travers des fenêtres à 711, 816 et 921 nanomètres. Ces fenêtres correspondent à l'émission de Lyman-alpha décalée vers le rouge des galaxies avec des décalages vers le rouge de 4,8, 5,7 et 6,6, respectivement. Ces chiffres indiquent à quel point l'univers était plus petit que maintenant et correspondent à 1,26 milliard d'années, 1,01 milliard d'années et 840 millions d'années après le Big Bang. C'est comme faire de l'archéologie du premier univers avec des filtres particuliers permettant aux scientifiques de voir les différentes couches d'une fouille.
Pour obtenir leurs nouveaux résultats spectaculaires, l'équipe a dû développer un filtre sensible à la lumière avec des longueurs d'onde d'environ 973 nanomètres seulement, ce qui correspond à l'émission de Lyman alpha avec un décalage vers le rouge de 7,0. Cette longueur d'onde est à la limite des CCD modernes, qui perdent leur sensibilité à des longueurs d'onde supérieures à 1000 nanomètres. Ce filtre unique en son genre, appelé NB973, utilise la technologie de revêtement multicouche et a mis plus de deux ans à se développer. Non seulement le filtre devait laisser passer la lumière avec des longueurs d’onde d’environ 973 nanomètres, mais il devait également couvrir uniformément tout le champ de vision du foyer principal du télescope. L'équipe a travaillé avec une entreprise, Asahi Spectra Co.Ltd, pour concevoir un filtre prototype à utiliser avec la caméra d'objets faibles de Subaru, puis a appliqué cette expérience à la fabrication du filtre pour Suprime-Cam.
Les observations
Les observations avec le filtre NB973 ont eu lieu au printemps 2005. Après plus de 15 heures d'exposition, les données obtenues ont atteint une magnitude limite de 24,9. Il y avait 41 533 objets dans cette image, mais une comparaison avec des images prises à d'autres longueurs d'onde a montré que seulement deux des objets n'étaient brillants que dans l'image NB973. L'équipe a conclu que seuls ces deux objets pouvaient être des galaxies avec un décalage vers le rouge de 7,0. L'étape suivante consistait à confirmer l'identité des deux objets, IOK-1 et IOK-2, et l'équipe les a observés avec la caméra et le spectrographe à faible objet (FOCAS) sur le télescope Subaru. Après 8,5 heures de temps d'exposition, l'équipe a pu obtenir un spectre d'une raie d'émission du plus brillant des deux objets, IOK-1. Son spectre montrait un profil asymétrique caractéristique de l'émission de Lyman-alpha d'une galaxie éloignée. La raie d'émission était centrée sur une longueur d'onde de 968,2 nanomètres (redshift 6,964), correspondant à une distance de 12,88 milliards d'années-lumière et un temps de 780 millions d'années après le Big Bang.
L'identité de la deuxième galaxie candidate
Trois heures d'observation n'ont donné aucun résultat concluant pour déterminer la nature de l'IOK-2. L'équipe de recherche a depuis obtenu plus de données qui sont en cours d'analyse. Il est possible que IOK-2 soit une autre galaxie éloignée ou un objet à luminosité variable. Par exemple, une galaxie avec une supernova ou un trou noir avalant activement de la matière qui vient de paraître brillante lors des observations avec le filtre NB973. (Les observations dans les autres filtres ont été faites un à deux ans plus tôt.)
Le champ profond Subaru
Le télescope Subaru est particulièrement bien adapté à la recherche des galaxies les plus éloignées. De tous les télescopes de 8 à 10 mètres dans le monde, il est le seul à pouvoir monter une caméra au point de focalisation. La mise au point principale, au sommet du tube du télescope, a l'avantage d'un large champ de vision. En conséquence, Subaru domine actuellement la liste des galaxies connues les plus éloignées. Beaucoup d'entre eux se trouvent dans une région du ciel en direction de la constellation de Coma Bérénices appelée Subaru Deep Field que l'équipe de recherche a sélectionnée pour une étude intense à de nombreuses longueurs d'onde.
L'histoire ancienne de l'univers et la formation des premières galaxies
Pour mettre cette réalisation Subaru en contexte, il est important de revoir ce que nous savons de l'histoire des premiers univers. L'univers a commencé avec le Big Bang, qui s'est produit il y a environ 13,66 milliards d'années dans un chaos enflammé de températures et de pressions extrêmes. Au cours de ses trois premières minutes, l'univers infantile s'est rapidement développé et refroidi, produisant les noyaux d'éléments légers tels que l'hydrogène et l'hélium, mais très peu de noyaux d'éléments plus lourds. En 380 000 ans, les choses avaient refroidi à une température d'environ 3 000 degrés. À ce stade, les électrons et les protons pourraient se combiner pour former de l'hydrogène neutre.
Les électrons étant désormais liés aux noyaux atomiques, la lumière pourrait voyager dans l'espace sans être dispersée par les électrons. Nous pouvons réellement détecter la lumière qui a imprégné l'univers à l'époque. Cependant, en raison du temps et de la distance, il a été étiré d'un facteur 1 000, remplissant l'univers de rayonnements que nous détectons sous forme de micro-ondes (appelé fond cosmique des micro-ondes). Le vaisseau spatial Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) a étudié ce rayonnement et ses données ont permis aux astronomes de calculer l'âge de l'univers à environ 13,66 milliards d'années. De plus, ces données impliquent l'existence de choses telles que la matière noire et l'énergie noire encore plus énigmatique.
Les astronomes pensent qu'au cours des quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, l'univers a continué de se refroidir et que la première génération d'étoiles et de galaxies s'est formée dans les régions les plus denses de matière et de matière noire. Cette période est connue comme «l'âge des ténèbres» de l'univers. Il n'y a pas encore d'observations directes de ces événements, donc les astronomes utilisent des simulations informatiques pour relier les prédictions théoriques et les preuves d'observation existantes pour comprendre la formation des premières étoiles et galaxies.
Une fois les étoiles brillantes nées, leur rayonnement ultraviolet peut ioniser les atomes d'hydrogène voisins en les divisant en électrons et protons séparés. À un moment donné, il y avait suffisamment d'étoiles brillantes pour ioniser presque tout l'hydrogène neutre de l'univers. Ce processus s'appelle la réionisation de l'univers. L'époque de la réionisation signale la fin de l'âge des ténèbres de l'univers. Aujourd'hui, la majeure partie de l'hydrogène dans l'espace entre les galaxies est ionisée.
Repérer l'époque de la réionisation
Les astronomes ont estimé que la réionisation s'est produite entre 290 et 910 millions d'années après la naissance de l'univers. Repérer le début et la fin de l'époque de la réionisation est l'un des tremplins importants pour comprendre comment l'univers évolue et est un domaine d'étude intense en cosmologie et en astrophysique.
Il semble que si nous regardons plus loin dans le temps, les galaxies deviennent de plus en plus rares. Le nombre de galaxies avec un décalage vers le rouge de 7,0 (ce qui correspond à une période d'environ 780 millions d'années après le Big Bang) semble plus petit que ce que les astronomes voient à un décalage vers le rouge de 6,6 (ce qui correspond à une période d'environ 840 millions d'années après le Big Bang) . Étant donné que le nombre de galaxies connues à un décalage vers le rouge de 7,0 est encore faible (un seul!), Il est difficile de faire des comparaisons statistiques robustes. Cependant, il est possible que la diminution du nombre de galaxies à un redshift plus élevé soit due à la présence d'hydrogène neutre absorbant l'émission de Lyman-alpha des galaxies à un redshift plus élevé. Si de nouvelles recherches peuvent confirmer que la densité numérique de galaxies similaires diminue entre un décalage vers le rouge de 6,6 et 7,0, cela pourrait signifier que IOK-1 existait à l'époque de la réionisation de l'univers.
Ces résultats seront publiés dans l'édition du 14 septembre 2006 de Nature.
Source d'origine: communiqué de presse Subaru
