Crédit d'image: PPARC
Jusqu'à présent, les astronomes n'avaient pas pu trouver beaucoup de données sur ce qui s'était passé à un stade précoce de l'évolution de l'Univers, quand on pensait que les étoiles étaient formées. Mais de nouvelles recherches, effectuées par des astronomes utilisant l'observatoire des Gémeaux au Chili, ont révélé plusieurs galaxies il y a 8 à 11 milliards d'années qui sont plus complètement formées que prévu. Ils pensaient voir des protogalaxies s'écraser les uns sur les autres, mais ils ont plutôt trouvé des galaxies très matures. Il est possible que les trous noirs soient beaucoup plus communs dans le premier univers et aient servi d'ancrage pour former rapidement des galaxies.
Jusqu'à présent, les astronomes étaient presque aveugles lorsqu'ils remontaient le temps pour sonder une époque où la plupart des étoiles de l'Univers devaient se former. Cette tache aveugle cosmologique critique a été supprimée par une équipe, y compris un scientifique britannique, à l'aide du télescope Frederick C.Gillett Gemini North, montrant que de nombreuses galaxies dans le jeune univers ne se comportent pas comme prévu il y a 8 à 11 milliards d'années.
La surprise: ces galaxies semblent être plus pleinement formées et mûres que prévu à ce stade précoce de l'évolution de l'Univers. Cette constatation est similaire à celle d'un enseignant entrant dans une salle de classe s'attendant à saluer une salle remplie d'adolescents indisciplinés et à trouver de jeunes adultes bien entretenus.
«La théorie nous dit que cette époque devrait être dominée par de petites galaxies qui s'écrasent ensemble», a déclaré le Dr Roberto Abraham (Université de Toronto), cochercheur principal de l'équipe effectuant les observations à Gemini. «Nous constatons qu'une grande partie des étoiles de l'Univers sont déjà en place lorsque l'Univers était assez jeune, ce qui ne devrait pas être le cas. Cet aperçu dans le temps montre assez clairement que nous devons repenser ce qui s'est passé pendant cette première époque de l'évolution galactique. Les théoriciens auront certainement quelque chose à ronger! »
Les résultats ont été annoncés aujourd'hui lors de la 203e réunion de l'American Astronomical Society à Atlanta, en Géorgie. Les données seront bientôt diffusées à l'ensemble de la communauté astronomique pour une analyse plus approfondie, et quatre articles sont en voie d'achèvement pour publication dans The Astrophysical Journal et The Astronomical Journal.
Le Dr Isobel Hook, chef du UK Gemini Support Group, basé à l'Université d'Oxford, est membre de l'équipe multinationale Gemini Deep Deep Survey (GDDS) qui a entrepris l'enquête. Elle explique comment la technique fonctionne. L'équipe a utilisé une technique spéciale pour capturer la lumière galactique la plus faible jamais disséquée dans l'arc-en-ciel de couleurs appelé spectre. En tout, des spectres de plus de 300 galaxies ont été collectés, dont la plupart se trouvent dans ce qu'on appelle le «désert du décalage vers le rouge», une période relativement inexplorée de l'Univers vue par des télescopes remontant à une époque où l'Univers n'avait que 3-6 milliards d'années vieux.
Elle ajoute: Ces spectres représentent l'échantillon le plus complet jamais obtenu de galaxies dans le désert de Redshift. En obtenant de grandes quantités de données provenant de quatre domaines largement séparés, cette enquête fournit la base statistique pour tirer des conclusions qui ont été suspectées par des observations antérieures effectuées par le télescope spatial Hubble, l'observatoire Keck, le télescope Subaru et le très grand télescope au cours de la dernière décennie.
Étudier les galaxies faibles à cette époque où l'Univers n'avait que 20 à 40% de son âge actuel présente un défi de taille aux astronomes, même lorsqu'ils utilisent la capacité de collecte de lumière d'un très grand télescope comme Gemini North avec son miroir de 8 mètres. Tous les levés antérieurs de galaxies dans ce domaine se sont concentrés sur les galaxies où se produit une formation intense d'étoiles, ce qui facilite l'obtention des spectres mais produit un échantillon biaisé. Le GDDS a été en mesure de sélectionner un échantillon plus représentatif, y compris les galaxies qui contiennent le plus d'étoiles normales, de gradateurs et de galaxies plus massives qui nécessitent des techniques spéciales pour amadouer un spectre à partir de leur lumière tamisée.
«Les données Gemini sont l'enquête la plus complète jamais réalisée couvrant la majeure partie des galaxies qui représentent les conditions de l'Univers primitif. Ce sont les galaxies massives qui sont en fait plus difficiles à étudier en raison de leur manque de lumière énergétique provenant de la formation des étoiles. Ces galaxies très développées, dont la jeunesse en formation d'étoiles est en fait révolue depuis longtemps, ne devraient tout simplement pas être là, mais le sont », a déclaré le co-chercheur principal, le Dr Karl Glazebrook (Université Johns Hopkins).
Les astronomes qui tentent de comprendre ce problème devront peut-être tout mettre sur la table. "Il n'est pas clair si nous devons modifier les modèles existants ou en développer un nouveau afin de comprendre ce résultat", a déclaré le troisième co-chercheur principal de l'enquête, le Dr Patrick McCarthy (Observatoires de la Carnegie Institution). «Il est assez évident d'après les spectres Gemini qu'il s'agit bien de galaxies très matures, et nous ne voyons pas les effets d'obscurcissement de la poussière. De toute évidence, il y a certains aspects majeurs des premières vies des galaxies que nous ne comprenons tout simplement pas. Il est même possible que les trous noirs aient été beaucoup plus omniprésents que nous ne le pensions dans l'Univers primitif et aient joué un rôle plus important dans l'ensemencement de la formation des premières galaxies. »
Ce qui est sans doute la théorie dominante de l'évolution galactique postule que la population de galaxies à ce stade précoce aurait dû être dominée par des blocs de construction évolutifs. Appelé à juste titre le modèle hiérarchique, il prédit que les galaxies normales à grandes, comme celles étudiées dans ce travail, n'existeraient pas encore et se formeraient plutôt à partir de ruches locales d'activité où les grandes galaxies se sont développées. Le GDDS révèle que cela pourrait ne pas être le cas.
Les spectres de cette enquête ont également été utilisés pour déterminer la pollution du gaz interstellaire par des éléments lourds (appelés «métaux») produits par les étoiles. Il s'agit d'un indicateur clé de l'histoire de l'évolution stellaire dans les galaxies. Sandra Savaglio (Johns Hopkins University), qui a étudié cet aspect de la recherche, a déclaré: «Notre interprétation de l'Univers est fortement affectée par la façon dont nous l'observons. Parce que le GDDS a observé des galaxies très faibles, nous avons pu détecter le gaz interstellaire même s'il était partiellement masqué par la présence de poussière. En étudiant la composition chimique du gaz interstellaire, nous avons découvert que les galaxies de notre étude sont plus riches en métaux que prévu. »
Le Dr Richard Ellis, astronome de Caltech, a déclaré: «Le Gemini Deep Deep Survey représente une réalisation très importante, tant sur le plan technique que scientifique. L'enquête a fourni un nouveau recensement précieux des galaxies au cours d'une période clé de l'histoire cosmique, qui a été difficile à étudier jusqu'à présent, en particulier pour la composante au repos de la population des galaxies. »
Faire des observations dans le désert du Redshift a frustré les astronomes modernes au cours de la dernière décennie. Alors que les astronomes savaient que de nombreuses galaxies doivent exister dans le désert du Redshift, ce n’est qu’un «désert» car nous ne pouvions pas obtenir de bons spectres de bon nombre d’entre elles. Le problème réside dans le fait que les principales caractéristiques spectroscopiques utilisées pour étudier ces galaxies ont été décalées vers le rouge en raison de l'expansion de l'Univers dans une partie du spectre optique qui correspond à une lueur faible, naturelle et obscurcissante dans l'atmosphère nocturne de la Terre.
Pour surmonter ce problème, une technique sophistiquée appelée «Nod and Shuffle» a été utilisée sur le télescope Gemini. «La technique Nod and Shuffle nous permet d'écumer la faible lueur naturelle du ciel nocturne pour révéler les spectres ténus des galaxies en dessous. Ces galaxies sont plus de 300 fois plus faibles que cette lueur du ciel », explique le Dr Kathy Roth, astronome des Gémeaux qui faisait également partie de l'équipe et a obtenu une grande partie des données. "Il s'est avéré être un moyen extrêmement efficace de réduire radicalement le" bruit "ou les niveaux de contamination qui se trouvent dans le signal d'un détecteur de lumière électronique."
Chaque observation a duré l'équivalent d'environ 30 heures et produit simultanément près de 100 spectres. L'ensemble du projet a nécessité plus de 120 heures de télescope. «C'est beaucoup de temps précieux dans le ciel, mais quand on considère que cela nous a permis de combler une lacune cruciale de 20% dans notre compréhension de l'Univers, c'était du temps bien dépensé», ajoute le Dr Glazebrook qui a développé l'utilisation de Nod and Shuffle avec Joss Hawthorn pour des observations de galaxies faibles lors de l'observatoire anglo-australien il y a quelques années.
Les études précédentes dans le désert de Redshift se sont concentrées sur des galaxies qui n'étaient pas nécessairement représentatives des systèmes traditionnels. Pour cette étude, les galaxies ont été soigneusement sélectionnées sur la base des données du Las Campanas Infrared Survey afin de s'assurer que les galaxies à forte explosion d'étoiles émettant des ultraviolets n'étaient pas suréchantillonnées. «Cette étude est unique en ce sens que nous avons pu étudier l'extrémité rouge du spectre, et cela nous renseigne sur l'âge des vieilles étoiles», explique le Dr Abraham. «Nous avons entrepris des expositions incroyablement longues avec Gemini environ dix fois plus longtemps que des expositions typiques. Cela nous permet de regarder des galaxies beaucoup plus faibles que d'habitude, et concentrons-nous sur la majeure partie des étoiles, au lieu de seulement les jeunes flashy. Cela nous permet de comprendre plus facilement comment les galaxies évoluent. Nous ne le devinons plus en étudiant de jeunes objets et en supposant que les anciens objets ne contribuaient pas beaucoup à l'histoire de l'évolution des galaxies. Il se trouve qu'il y a beaucoup de vieilles galaxies, mais elles sont vraiment difficiles à trouver. "
Source d'origine: communiqué de presse PPARC
