Contact DAPNIA :
David Elbaz
Le fond infrarouge décodé
Un fond diffus de rayonnement infrarouge emplit l'Univers. Il est constitué par l'émission accumulée au cours du temps des galaxies et des étoiles. Une grande partie de cette émission infrarouge a maintenant été identifiée grâce aux données acquises par la caméra ISOCAM à bord du satellite ISO (Infrared Space Observatory). David Elbaz du Service d'Astrophysique du Commissariat à l'Energie Atomique (CEA/DAPNIA) et Catherine Cesarsky de l'Observatoire Européen Austral (ESO) viennent de montrer que la contribution dominante provenait de galaxies à fortes flambées d'étoiles situées à des décalages vers le rouge d'environ 0,8, dans une tranche d'Univers où se trouvent également les noyaux actifs de galaxies responsables de la majorité du fond en rayons X de l'Univers. Selon les conclusions de l'article qui parait dans la revue Science du 11 avril 2003, la majorité des étoiles actuelles auraient été formées par des interactions de galaxies lors de la formation des grandes structures de l'Univers.
Une multitude de galaxies infrarouges
La majorité de la lumière des galaxies distantes nous arrive aujourd'hui dans le domaine de l'infrarouge, à des longueurs d'ondes supérieures à 5 microns. L'intensité de ce fond diffus infrarouge (Figure 1), qui a été mesurée récemment grâce au satellite COBE (Cosmic Background Explorer), est de l'ordre de 5 % de celle du fond micro-onde qui résulte du Big Bang. Malgré cela, la densité d'énergie de ce rayonnement est égale voire supérieure à l'ensemble du rayonnement visible, du domaine ultraviolet au domaine proche infrarouge, et 200 fois supérieure à un autre fond diffus : Le fond dû aux rayons X, entre 0.1 et 100 keV (kilo électron volts), qui lui date de 1962, époque à laquelle il fut découvert par le récent prix Nobel de physique Riccardo Giacconi et ses collaborateurs. La découverte des sources responsables des fonds extragalactiques infrarouge et X devrait nous permettre de mieux comprendre l'origine des galaxies, puisqu'ils contiennent la lumière rayonnée par l'ensemble des galaxies au cours de l'histoire de l'univers par les deux sources de lumière principales de l'univers : La formation d'étoiles et l'accrétion de gaz par un trou noir. Une étape fondamentale vient d'être franchie dans cette direction et ouvre une perspective nouvelle sur notre compréhension des mécanismes à l'origine des galaxies en général et de la notre en particulier.
Figure 1 :
Le fond diffus infrarouge. Image en haut à gauche : le fond diffus infrarouge à la longueur d'ondes de 240 microns (image du satellite COBE). A droite, de haut en bas : images des galaxies participant au fond diffus aux longeurs d'onde de 850 microns avec SCUBA, 175 microns avec ISOPHOT et 15 microns avec ISOCAM. On remarque que ISOCAM avec sa meilleure résolution spatiale et sensibilité détecte plus d'objets participant au fond infrarouge. En bas à gauche : l'intensité du fond diffus en fonction de la longueur d'onde. La flèche indique la contribution au pic à 140 microns du fond diffus des galaxies détectées par ISOCAM à 15 microns. La ligne bleue montre le rayonnement d'une galaxie lumineuse dans l'infrarouge localisée à un décalage spectral de z=0.8 : elle a la même forme que le fond diffus infrarouge dont elle est la principale source.
Des images profondes ont été réalisées dans le domaine de l'infrarouge moyen, autour de 15 microns, grâce au satellite ISO (Infrared Space Observatory) et à sa caméra ISOCAM, développée sous la maîtrise d'oeuvre du Service d'Astrophysique du CEA/DSM/DAPNIA. Ces images ont permis la détection d'une grande densité de sources ponctuelles (voir Figure 1) qui ont ensuite été associées à des galaxies, grâce à leurs contreparties optiques. Le nombre d'objets faibles détectés dans ces images est dix fois supérieur à ce que l'on attendrait si la proportion de galaxies à flambée de formation d'étoiles, formant plus de 20 masses solaires d'étoiles par an, était la même dans le passé qu'elle l'est aujourd'hui (Elbaz et al. 1999). Afin de comprendre l'importance et les conséquences précises de ce premier résultat, il a fallu mesurer les distances de ces galaxies. La première région du ciel qui a permis de faire cette étude n'est pas plus grande que la pointe d'un stylo pointée par un bras tendu en direction du ciel, pourtant elle ne contient pas moins de 2500 galaxies qui apparaissent dans l'image la plus profonde jamais réalisée et obtenue grâce au télescope spatial Hubble (HST, voir Figure 2).
Figure 2 : Image du champ profond de Hubble (Hubble Deep Field, HDF) réalisée par le télescope spatial Hubble (HST) par Williams et al. (1996). Cette image de 2,7 minutes d'arc de côté contient 2500 galaxies.
Des flambées d'étoiles
Le champ profond de Hubble (Hubble Deep Field, HDF) a permis de déterminer la distance moyenne des galaxies infrarouges, plus de 200 fois moins nombreuses, détectées avec ISOCAM (Aussel et al. 1999). On a ainsi pu calculer que leur lumière avait été émise au cours des derniers deux tiers de l'âge de l'univers (décalage spectral inférieur à z = 1.3). Connaissant leur distance, on a pu déterminer leur luminosité et découvrir avec surprise que ces galaxies appartenaient à l'une des deux classes de galaxies les plus lumineuses dans l'univers, les galaxies lumineuses dans l'infrarouge, communément appelées LIRGs, pour luminous infrared galaxies.
Une si grande abondance de LIRGs dans l'univers lointain permet-elle d'expliquer l'origine du fond diffus infrarouge et dans ce cas l'origine d'une fraction importante des étoiles au cours de l'histoire de l'univers ?
L'intensité du fond diffus infrarouge est maximale dans l'infrarouge lointain, un domaine où les télescopes actuelles n'ont ni la résolution spatiale, ni la sensibilité suffisante pour identifier les sources ponctuelles dont le rayonnement est combiné dans le fond diffus. Une étude récente (Elbaz et al. 2002) a permis de mettre en évidence une relation entre l'émission dans l'infrarouge moyen et lointain des galaxies et a ainsi permis de calculer quel doit être le rayonnement dans l'infrarouge lointain des galaxies détectées dans l'infrarouge moyen avec ISOCAM. Nouvelle surprise, on s'est aperçu que ces LIRGs devraient permettre d'expliquer l'origine de plus des deux tiers du fond diffus infrarouge. Lorsque l'on calcule la masse d'étoiles qui sont nées au cours d'une flambée de formation d'étoiles comme celles vécues par les LIRGs, on trouve qu'elle est proche de la quantité totale d'étoiles observées dans l'univers aujourd'hui. En d'autres termes, on a non seulement levé le voile sur l'origine du fond diffus infrarouge, mais on a aussi découvert un phénomène nouveau : la formation des étoiles qui habitent les galaxies qui nous entourent ne sera comprise qui si on comprend ce qui a allumé les LIRGs au cours de l'histoire de l'univers. Il convient ici de noter qu'il a été nécessaire de supposer que les propriétés des galaxies lointaines étaient semblables à celles des galaxies proches pour estimer leur émission dans l'infrarouge lointain sans l'observer de manière directe. Heureusement, il existe une seconde technique indirecte pour cela. Les étoiles massives qui émettent la majorité de la lumière des galaxies à flambée de formation d'étoiles ont une autre propriété : leur durée de vie est très courte et elles explosent rapidement sous la forme d'une supernova dite de type II. Ce faisant, elles accélèrent les rayons cosmiques et qui libère de la lumière par rayonnement synchrotron directement mesurable à l'aide d'antennes radio sur Terre. Cette technique ne permet pas de déceler des objets aussi faibles que l'infrarouge moyen, mais elle a permis de détecter plusieurs dizaines de LIRGs communes avec ISOCAM avec un résultat heureux : les luminosités en infrarouge lointain prédites par le rayonnement radio sont à peu de choses près les mêmes que celles prédites à l'aide du rayonnement infrarouge moyen.
Figure 3 : image de la structure localisée à un décalage spectral de z=0.848, i.e. à 7 milliards d'années-lumière de nous. Les cercles sont des galaxies détectées dans le HDF (cf figure 2). Les cercles pleins représentent ceux qui ont aussi été détectés à 15 microns avec ISOCAM et qui sont des LIRGs. Deux d'entre elles sont des galaxies à noyau actif (AGN).
Il reste maintenant une dernière étape à franchir : quel processus physique est à l'origine de l'allumage des LIRGs ? En regardant de plus près les galaxies dont on a mesuré la distance dans l'image du HDF, nous avons découvert un phénomène étrange : près de 30 % des galaxies ont un même décalage spectral, z=0.848 ! Dans ce petit champ, cela fait 11 galaxies (Figure 3). L'existence de galaxies localisées à un même décalage spectral, donc à la même distance par rapport à nous, est bien connue : il s'agit généralement d'amas de galaxies, la structure la plus grande connue dont la cohésion soit assurée par la force de gravitation. Mais dans ce cas précis, cette structure possède une taille d'au moins 4 mega-parsecs (près de 12 millions d'années-lumière), la taille des plus grands amas connus dans l'univers proche, or on sait que les amas lointains sont moins riches que les proches. La région observée par le télescope spatial ne permet pas d'aller au-delà des 4 mega-parsecs. D'autre part, le gaz contenu dans les amas de galaxies émet un rayonnement X que cette région n'émet pas. Une autre surprise est venue donner une nouvelle dimension à cette découverte : la détection à l'aide du satellite X Chandra d'une concentration de 10 galaxies à noyau actif dans cette même région du ciel. Les galaxies à noyau actif sont des galaxies contenant en leur centre un trou noir « supermassif » de plusieurs centaines de millions de masses solaires et dont le rayonnement provient du gaz entourant le trou noir et absorbé par lui. Le champ de vue du satellite Chandra étant plus grand, cette structure s'étend sur 9 Mpc, bien plus que la taille des plus grands amas de galaxies connus. C'est la première fois que l'on découvre une telle concentration aussi bien de LIRGs que de galaxies à noyau actif et les deux conséquences importantes liées à cette découverte restent un mystère à résoudre pour l'astrophysique.
Il existe une structure à grande échelle localisée à ce décalage spectral de z=0.848 qui est vue aussi bien en infrarouge moyen et en rayons X, que dans le domaine visible, où plusieurs dizaines de galaxies ont été détectées à cette même distance par rapport à nous. Les LIRGs sont si nombreuses dans l'univers qu'elles représentant une phase que toutes ou presque toutes les galaxies ont dû vivre. Cette phase est si courte (quelques dizaines de millions d'années) que la présence de 10 d'entre elles dans une grande structure comme celle-ci semble impliquer que la phase LIRG s'est allumée du fait de cette grande structure : la réunion de ces galaxies dans une même région du ciel provoque en elles des flambées de formation d'étoiles. Ce phénomène serait différent de celui plus classique de la rencontre de deux galaxies, puisqu'il met en jeu plusieurs galaxies. Les modèles théoriques et les simulations informatiques arrivent à reproduire toutes les observations du ciel sauf une : le fond diffus infrarouge et le nombre de LIRGs, or ces modèles ne prennent en compte que les interactions de deux galaxies qui fusionnent, pas l'allumage de flambées de formation d'étoiles qui pourrait être dû à la naissance des grandes structures dans l'univers.
Enfin, le fait que cette grande structure contienne le plus grand nombre de LIRGs et de noyaux actifs dans une même région semble indiquer que les noyaux actifs aussi s'allument par un effet d'environnement et peut-être aussi que ces deux phases sont peut-être liées. Ainsi peut-être ne pourra-t'on comprendre la formation stellaire sans comprendre celle des trous noirs supermassifs et vice-versa ...