Hubble Spies Faibles Galaxies, Bountiful dans les premiers univers

Hubble a repéré plus de 100 petites galaxies faibles dans le jeune univers, communes comme des lapins à poussière mais qui étaient auparavant inaccessibles, même aux meilleurs télescopes.

Les astronomes utilisant le télescope spatial Hubble ont repéré les galaxies les plus faibles encore dans l'univers lointain. Le résultat n'est pas simplement une nouvelle entrée dans le livre Guinness des records mondiaux ; il met également en lumière une époque mal comprise dans les débuts de notre cosmos.

Hubble considère le groupe de galaxies MACS 0416, qui agit comme une lentille gravitationnelle pour agrandir des galaxies plus lointaines. Le cyan marque la distribution de la masse dans le groupe, principalement sous forme de matière noire. Magenta met en évidence le degré d'agrandissement des galaxies de fond, lié à la distribution de masse.
Équipe STScI / NASA / CATS / R. Livermore (UT Austin)

Selon Rachael Livermore (Université du Texas, Austin), ces galaxies émettent moins d'un centième de la luminosité de la Voie lactée; le plus sombre d'entre eux est 2 000 fois plus faible que notre galaxie. «Ce sont les précurseurs de systèmes nains comme la galaxie Fornax à proximité», dit-elle.

Livermore et ses collègues ont trouvé 167 faibles galaxies entre 5, 3 et 8, 8, et leur lumière a donc voyagé entre 12, 6 et 13, 1 milliards d’années. Normalement, même Hubble ne pourrait jamais les repérer: Hubble peut détecter des objets d’une magnitude inférieure à 31, mais la combinaison de la faiblesse intrinsèque de ces objets et de leur distance incroyable les met hors de sa portée. Ils ont été détectés uniquement parce que la lentille gravitationnelle augmentait leur luminosité.

Au cours des dernières années, Hubble a longuement examiné six énormes amas de galaxies dans le cadre du programme Frontier Fields (voir le numéro de janvier 2015 de Sky & Telescope). Les astronomes recherchent des galaxies faibles dans les fonds de ces groupes, tirant parti du fait que la gravité des groupes du premier plan magnifie les images de galaxies éloignées. Plus le grossissement est fort, plus les galaxies que Hubble peut détecter sont faibles.

Il y a cependant un problème: le grossissement produit par la lentille gravitationnelle est le plus fort dans les régions centrales du groupe de premier plan. Mais c'est aussi où les galaxies de la grappe sont les plus brillantes et entassées. Toutes les galaxies de fond magnifiées sont noyées dans cette lumière de premier plan.

Avec son collègue Steven Finkelstein (également à l'Université du Texas, Austin) et l'investigatrice principale de Frontier Fields, Jennifer Lotz (Institut des sciences du télescope spatial), Livermore a maintenant réussi à filtrer la lumière des galaxies de premier plan dans deux groupes de Frontier Fields: Abell 2744, dans la constellation Sculptor, également connue sous le nom de Pandora's Cluster, et MACS 0416.1-2403 à Eridanus.

Une vue similaire de l'amas de galaxies Abell 2744, où le cyan et le magenta soulignent à nouveau la distribution de la masse et le grossissement, respectivement.
Équipe STScI / NASA / CATS / R. Livermore (UT Austin)

«Nous avons utilisé une technique appelée décomposition en ondelettes», explique Livermore. «Vous analysez fondamentalement une image sur plusieurs échelles physiques possibles pour isoler les plus grandes structures. C'est un peu comparable au fonctionnement de la compression d'image ou à la technique des écouteurs à annulation de bruit. »La décomposition en ondelettes a déjà été utilisée en astronomie, mais pas à cette fin, ajoute-t-elle.

Certaines des galaxies de fond que cette analyse a révélées sont magnifiées par un facteur 50 ou 60. «Elles sont jusqu'à cent fois moins lumineuses que les plus faibles des galaxies observées dans le Hubble Ultra Deep Field [sans objectif]», explique Livermore.

Et ils sont nombreux - Hubble voit enfin les galaxies les plus communes de cette période. Grâce à la combinaison de lentilles gravitationnelles, de la sensibilité sans précédent de Hubble et de la technique d'ondelettes de l'équipe, les astronomes ont désormais une meilleure idée de la quantité de lumière émise par ces galaxies en tant que population.

Comme le notent les auteurs dans le journal astrophysique du 1er février, il est maintenant clairement établi que ces petites galaxies faibles constituent une source de lumière importante dans le jeune univers - même si les galaxies moins massives émettent moins de lumière, elles compensent par leur nombre absolu.

C'est une bonne nouvelle pour les cosmologistes qui tentent de comprendre ce que l'on appelle l'époque de la réionisation: quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, les atomes d'hydrogène neutres dans l'espace intergalactique se sont ionisés, perdant leur seul électron en raison du rayonnement ultraviolet énergétique. (C'est ce qu'on appelle la re- ionisation parce que l'hydrogène était également dans un état ionisé juste après le Big Bang, avant que l'univers ne se refroidisse et ne s'assombrisse.) Cependant, les détails de ce processus de réionisation sont flous.

Voici à quoi l'univers infantile aurait pu ressembler lorsque la lumière ultraviolette de jeunes galaxies a commencé à créer des "clairières" ionisées dans le brouillard cosmique par ailleurs sombre de l'hydrogène:

Crédit: ESO / L. Calçada

Dans le passé, les scientifiques n’avaient pas été en mesure de s’entendre sur la source principale du rayonnement énergétique. La lumière pourrait provenir de la première génération d'étoiles dans une immense population de petites galaxies à peine formées, ou de quasars rares mais ultra-lumineux, alimentés par des trous noirs supermassifs, auraient pu fournir le rayonnement. Le premier scénario semble maintenant être le plus prometteur: selon Livermore et ses collègues, leur richesse en tant que faible galaxie est «compatible avec le nombre de faibles galaxies nécessaires pour réioniser l'univers».


Pour en savoir plus sur le projet Frontier Fields du télescope spatial Hubble, lisez le numéro de janvier 2015 de Sky & Telescope .