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L’instrument MUSE réalise le sondage spectroscopique le plus profond à ce jour - 10 publications éclairent les profondeurs jusqu’alors inexplorées de l'Ultra Deep Field

Les astronomes utilisant l'instrument MUSE sur le Very Large Telescope de l'ESO au Chili ont mené le sondage spectroscopique le plus profond jamais réalisé. Ils se sont concentrés sur le champ ultra-profond de Hubble, mesurant les distances et les propriétés de 1600 galaxies très faibles dont 72 nouvelles galaxies qui n’avaient  jamais été détectées auparavant, même par Hubble lui-même. Ce jeu de données révolutionnaire a déjà donné lieu à dix articles scientifiques publiés dans un numéro spécial d'Astronomy & Astrophysics. La richesse exceptionnelle des informations fournies par MUSE donne aux astronomes un aperçu de la formation d’étoiles et de leur mouvement dans les galaxies de l'Univers primordial. Cette avancée spectaculaire de notre connaissance de l’Univers lointain est rendue possible grâce aux capacités spectroscopiques uniques de MUSE.

L'équipe MUSE HUDF Survey, dirigée par Roland Bacon du Centre de Recherche Astronomique de Lyon (Université de Lyon, CNRS) et impliquant plusieurs chercheurs de l’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP, CNRS, Université de Toulouse), a utilisé MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) pour observer le champ ultra profond de Hubble (heic0406), une zone du ciel de l’hémisphère sud très étudiée dans la constellation de Fornax (Le Four). Cela a abouti aux observations spectroscopiques les plus profondes jamais réalisées, avec la récolte d'informations spectroscopiques précises pour 1600 galaxies, dix fois plus que ce qui a été laborieusement obtenu au cours de la dernière décennie par les plus grands télescopes au sol.

Les images de l’HUDF, publiées en 2004, prisent par le télescope spatial Hubble de la NASA/ESA ont été pionnières dans les observations de l’Univers lointain. Elles ont sondé plus profondément que jamais cette région du ciel et ont révélé une multitude de galaxies datant de moins d'un milliard d'années après le Big Bang.Cette zone reste  à ce jour la vision la plus profonde de l'Univers jamais observée[1].

Aujourd'hui, et ce malgré la profondeur des observations de Hubble, MUSE a, parmi de nombreux autres résultats, révélé 72 galaxies jamais vues auparavant dans cette toute petite zone du ciel.Roland Bacon reprend l'histoire: «MUSE peut faire quelque chose que Hubble ne peut pas faire, il disperse la lumière de chaque point de l'image dans toutes ses fréquences pour créer un spectre. Cela nous permet de mesurer la distance, les couleurs et les autres propriétés de toutes les galaxies que nous pouvons détecter, y compris celles qui sont invisibles à Hubble lui-même! "

Les données de MUSE fournissent une nouvelle vision des galaxies très lointaines, observées peu après le début de l'Univers, environ 13 milliards d'années dans le passé. L'instrument peut détecter des galaxies 100 fois plus faibles que lors des précédentes campagnes d'observation. Ces données s'ajoutent à un champ déjà richement étudié. C’est une nouvelle étape dans l’étude de l’Univers lointain qui nous permet d’avancer dans notre connaissance de l’évolution des galaxies au cours du temps cosmique.

Les 72 nouvelles galaxies révélées par MUSE sont appelées émetteurs Lyman-alpha car elles brillent seulement à la longue d’onde de la lumière Lyman-alpha [2]. Notre compréhension actuelle de la formation stellaire ne permet pas d'expliquer entièrement ces galaxies, qui semblent seulement briller à cette fréquence. C’est parce que MUSE disperse la lumière dans ses différentes fréquences que ces objets deviennent apparents, mais ils restent invisibles dans les images directes et profondes telles que celles de Hubble.

Jarle Brinchmann (Université de Leiden, Pays-Bas et IA, CAUP, Porto, Portugal), premier auteur d'un article décrivant les résultats de ce sondage, explique: « MUSE a la capacité unique d'extraire des informations sur les plus jeunes galaxies de l'Univers, même dans une partie du ciel déjà très bien étudiée. Nous apprenons des choses sur ces galaxies qui ne sont possibles qu'avec la spectroscopie, comme le contenu chimique et les mouvements internes, et cela non pas en observant les galaxies individuellement mais simultanément pour toutes les galaxies! »

Une autre découverte majeure de cette étude est la détection systématique deshalos géants d'hydrogène autour des galaxies dans l'Univers primitif, donnant aux astronomes un moyen nouveau et prometteur pour étudier les interactions des galaxies avec leur milieu environnant.

Parmi les autres résultats provenant de cet ensemble unique de données, qui sont exposés dans la série d'articles, citons le rôle des petites galaxies durant la ré-ionisation cosmique (commençant juste 380 000 ans après le Big Bang), l’évolution du taux de fusion des galaxies depuis 12 milliards d’années, l'étude des vents galactiques et le mouvement des étoiles dans les galaxies lointaines. Ces trois derniers résultats sont issus d’études menées par trois jeunes chercheurs de l’IRAP : Emmy Ventou, Hayley Finley et Adrien Guérou.

“Etonnamment, ces données ont été prises sans le système d’optique adaptative (AOF) qui vient tout juste d’être couplé à MUSE.  La mise en service de l'AOF, après une décennie de travail intensif par les astronomes et les ingénieurs de l'ESO, ouvre la perspective d’une moisson encore plus riche de données révolutionnaires à l'avenir », conclut Roland Bacon [3].

Notes

[1] Le Hubble Ultra Deep Field est l'un des champs  les plus étudiés du ciel. A ce jour, 13 instruments sur huit télescopes, dont ALMA ESO (eso1633), ont observé ce champ dans tous les domaines de longueurs d’onde possible, depuis les rayons X jusqu'aux longueurs d'onde radio.

[2] Les électrons chargés négativement qui orbitent autour du noyau chargé positivement dans un atome ont des niveaux d'énergie quantifiés. Autrement dit, ils ne peuvent exister que dans des états d'énergie spécifiques, et ils ne peuvent que faire la transition entre ces niveaux en gagnant ou en perdant des quantités précises d'énergie. Le rayonnement Lyman-alpha est produit lorsque les électrons dans les atomes d'hydrogène tombent du deuxième au plus bas niveau d'énergie. La quantité précise d'énergie perdue est libérée sous forme de lumière dans une longueur d'onde particulière, dans la partie ultraviolette du spectre, que les astronomes peuvent détecter avec des télescopes spatiaux ou sur Terre dans le cas d'objets qui sont décalés vers le rouge. Pour ces données, à un décalage vers le rouge  de z ~ 3-6.6, la lumière Lyman-alpha est vue comme une lumière visible ou proche infrarouge.

[3] L'installation de l'optique adaptative avec MUSE a déjà révélé des anneaux auparavant invisibles autour de la nébuleuse planétaire IC 4406 (eso1724).

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Contact IRAP

  • Thierry Contini, thierry.contini@irap.omp.eu
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