Département de Physique des Particules

Les galaxies du fond de l'Univers

En 2004 furent publiées les images du Champ Ultra Profond d’Hubble, pionnières des observations de champ profond avec le Télescope Spatial Hubble du consortium NASA/ESA. Ces images spectaculaires, plus profondes que jamais, révélèrent l’existence d’un grand nombre de galaxies datant de moins d’un milliard d’années après le Big Bang. Depuis lors, cette région du ciel a fait l’objet de multiples observations au moyen d’Hubble et de divers autres instruments, ce qui a permis de dresser la cartographie la plus profonde à ce jour de l’Univers.
Les astronomes viennent de sonder, au moyen d’ALMA, cette fenêtre en apparence banale mais abondamment étudiée, sur l’Univers lointain. Ils ont pour la première fois acquis des clichés tant profonds que finement résolus dans le domaine millimétrique [1], sur lesquels apparaissent la faible lueur des nuages de gaz ainsi que l’émission en provenance de la poussière chaude au sein des galaxies de l’Univers jeune.
A ce jour, ALMA a observé l’HUDF durant près de 50 heures. Il s’agit du plus long temps d’observation jamais consacré à une même région du ciel.

Une équipe menée par Jim Dunlop (Université d’Edimbourg, Royaume-Uni) a utilisé ALMA pour capturer la première image profonde et homogène d’une région aussi entendue que l’HUDF. Ces données lui ont permis d’assimiler à des galaxies des objets par ailleurs observés au moyen d’Hubble et d’autres télescopes.
Cette étude a clairement montré, pour la première fois, que la masse stellaire d’une galaxie constitue le meilleur indicateur du taux de formation stellaire dans l’Univers lointain, à grand décalage vers le rouge. Leurs observations ont permis de détecter la plupart des galaxies de masse élevée [2] – rien d’autre ou presque.
Jim Dunlop, l’auteur principal de l’article dédié à l’imagerie profonde, résume son caractère essentiel : “Ce résultat constitue une véritable avancée. Pour la première fois, nous sommes en mesure d’établir une véritable connexion entre l’image de l’Univers profond acquise par Hubble dans les domaines visible et ultraviolet, et divers clichés de l’Univers pris par ALMA dans les domaines de l’infrarouge lointain et millimétrique.”

La seconde équipe, emmenée par Manuel Aravena du Cercle d’Astronomie de l’Université Diego Portales, Santiago, Chili, et Fabian Walter de l’Institut Max Planck dédié à l’Astronomie, Heidelberg, Allemagne, a sondé les profondeurs d’une région céleste équivalent au quart de la superficie totale de l’HUDF [3].
”Nous avons supervisé la première recherche à l’aveugle et en trois dimensions de gaz froid dans l’Univers jeune”, précise Chris Carrillo, astronome à l’Observatoire National de Radioastronomie (NRAO) de Socorro, Nouveau Mexique, Etats-Unis, et membre de l’équipe. “Nous avons ainsi mis en évidence l’existence d’une population de galaxies qui n’apparait pas clairement sur les autres sondages profonds du ciel.” [4]
Certaines des nouvelles observations d’ALMA étaient spécifiquement dédiées à la recherche de galaxies riches en monoxyde de carbone – caractérisées donc par des taux de formation stellaire élevés. Ces réservoirs de gaz moléculaire, à l’origine de la formation d’étoiles au sein des galaxies, sont particulièrement difficiles à détecter au moyen d’Hubble. ALMA en revanche est capable de révéler cette “face cachée” de la formation et des processus d’évolution galactiques.
“Les nouveaux résultats d’ALMA révèlent une augmentation rapide du contenu en gaz des galaxies à mesure que l’on remonte dans le temps”, précise Manuel Aravena (Cercle d’Astronomie de l’Université Diego Portales, Santiago, Chili), principal auteur de deux des articles. “Cette augmentation du contenu en gaz constitue vraisemblablement la raison principale de la hausse remarquable des taux de formation stellaire durant l’Age d’or de la formation galactique, daté de 10 milliards d’années”.
Les résultats présentés ce jour augurent d’une série d’observations à venir, dédiées au sondage de l’Univers lointain avec ALMA. A titre d’exemple, une campagne d’observation de l’HUDF d’une durée de 150 heures renseignera sur les grandes étapes de la formation stellaire au sein de l’Univers.
“En complétant notre connaissance actuelle de l’abondance et de la distribution spatiale de ce matériau manquant à l’origine de la formation stellaire, le Vaste Programme d’ALMA affinera notre vision des galaxies au sein de l’emblématique Champ Ultra Profond d’Hubble”, conclut Fabian Walter.

Contacts : Emanuele DADDI, David ELBAZ

Publications :

Ce travail de recherche a fait l’objet d’articles intitulés :
1. “A deep ALMA image of the Hubble Ultra Deep Field”, par J. Dunlop et al., à paraitre au sein de la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
2. “The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Search for the [CII] Line and Dust Emission in 6 < z < 8 Galaxies”, par M. Aravena et al., à paraitre au sein de la revue Astrophysical Journal.
3. “The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Molecular Gas Reservoirs in High-Redshift Galaxies”, par R. Decarli et al., à parai?tre au sein de la revue Astrophysical Journal.
4. “The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: CO Luminosity Functions and the Evolution of the Cosmic Density of Molecular Gas”, par R. Decarli et al., à paraitre au sein de la revue Astrophysical Journal.
5. “The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Continuum Number Counts, Resolved 1.2-mm Extragalactic Background, and Properties of the Faintest Dusty Star Forming Galaxies”, par M. Aravena et al., à paraitre au sein de la revue Astrophysical Journal.
6. “The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Survey Description”, par F. Walter et al., à paraitre au sein de la revue Astrophysical Journal.
7. “The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: the Infrared excess of UV-selected z= 2-10 Galaxies as a Function of UV-continuum Slope and Stellar Mass”, par R. Bouwens et al., à paraitre au sein de la revue Astrophysical Journal.
8. “The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Implication for spectral line intensity mapping at millimeter wavelengths and CMB spectral distortions”, par C. L. Carilli et al. à paraitre au sein de la revue Astrophysical Journal.

Voir : le communiqué de presse CNRS
       :  le communiqué de presse Observatoire ALMA (en anglais)

Voir aussi : Découverte d'un jeune amas stellaire dans l’Univers lointain (7 mai 2015)

Voir aussi : - Les clés de l'évolution des galaxies (Point Presse - 7 juin 2013)

Voir : Communication du Service d'Astrophysique

Notes

[1] Les astronomes ont choisi l’entendue de la zone de l’HUDF à étudier, une région de l’espace située dans la constellation peu brillante du Fourneau, de sorte que les télescopes au sol de l’hémisphère sud, tel ALMA, puissent sonder cette région, et nous renseigner sur l’Univers très lointain. Sonder l’Univers profond, mais invisible à l’œil nu, constituait l’un des premiers objectifs scientifiques d’ALMA.
[2] Dans ce contexte, l’expression “masse élevée” désigne des galaxies dont les masses stellaires sont supérieures à 20 milliards de masses solaires. A titre de comparaison, la Voie Lactée est une galaxie entendue dont la masse avoisine les 100 milliards de masses solaires.
[3] Cette région du ciel est approximativement sept cents fois plus petite que la surface du disque de la pleine Lune vu depuis la Terre. Le nombre élevé de galaxies contenues dans une si petite fraction de ciel constitue l’un des aspects les plus étonnants de l’HUDF.
[4] La capacité d’ALMA à observer une portion du spectre électromagnétique si différente de celle captée par Hubble permet aux astronomes d’étudier une autre classe d’objets astronomiques, tels les nuages massifs de formation stellaire ou les objets émettant un rayonnement plus intense dans le domaine millimétrique que dans le domaine visible. Cette recherche a été qualifiée d’aveugle parce qu’elle n’était focalisée sur aucun objet particulier.
Les nouvelles observations de l’HUDF menées avec ALMA ont donné lieu à deux types de données distincts mais complémentaires : des observations en continu ont mis en évidence l’émission par les poussières ainsi que la formation stellaire, et un sondage dans une raie d’émission spectrale a révèlé la distribution spatiale du gaz moléculaire froid à l’origine de la formation stellaire. Le second sondage présente un intérêt tout particulier : il montre les effets de l’expansion de l’Univers sur le décalage spectral de la lumière en provenance des objets lointains. Un décalage vers le rouge plus élevé caractérise les objets les plus lointains et les plus précoces. S’ensuit la constitution, par les astronomes, de cartes en trois dimensions du gaz alimentant la formation d'étoiles, qui retracent son évolution au fil du temps cosmique.