Une galaxie invisible dans l'Univers lointain découverte grâce à la radioastronomie

C'est une découverte totalement inattendue, due à la chance: en recherchant un disque de débris proche avec le télescope de 30m de l'Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) [1], une équipe internationale, menée par des chercheurs du Laboratoire d'Etude du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique [2], a découvert la galaxie submillimétrique (SMG) la plus intense de l'hémisphère Nord aux longueurs d'ondes millimétriques en détectant l'émission de l'énorme quantité de poussière qu'elle recèle, l'obscurcissant et la rendant invisible en optique. L'équipe a découvert en plus un énorme réservoir de gaz moléculaire dans cette galaxie qui leur a permis de déterminer son décalage vers le rouge (redshift), et donc sa distance. Ce décalage vers le rouge est de 3,93, ce qui implique que la galaxie a envoyé ses photons quand l'Univers était encore très jeune (10% de son âge actuel). L'ensemble des données photométriques indique aussi que l'énergie de la galaxie provient principalement d'une flambée de formation d'étoiles et non de l'activité d'un trou noir supermassif au centre de cette galaxie.

Le quasar du "Trèfle à quatre feuilles", composé de 4 images gravitationnelles:
en vert le gaz HCN détecté en radio, superposé à l'image du télescope spatial Hubble. Redshift z=2,56.
Crédit: © HST. NASA-ESA.
 
C'est en cartographiant une région d'un demi degré carré du ciel avec le radiotélescope de 30m de l'IRAM à la longueur d'onde de 1,2mm, que les chercheurs ont fait cette découverte. Ils étaient à la recherche de l'émission de poussière froide dans d'hypothétiques disques de débris autour d'étoiles proches, lorsqu'ils ont détecté une source très intense, si rare qu'a posteriori on estime que la probabilité de la trouver était moins de 7%.

Tout d'abord, et puisqu'il n'y avait aucune contre-partie optique évidente dans les catalogues astronomiques, ils ont pensé à une jeune étoile très froide, dans notre Galaxie, nichée dans le nuage de gaz et de poussière lui ayant donné naissance, mais ils n'ont pas trouvé la signature de ce gaz proche. L'équipe a alors envisagé l'hypothèse plus audacieuse d'une galaxie très active, fabriquant en quantité des étoiles massives explosant rapidement en supernovae et noyant la galaxie dans leurs poussières. La conséquence prévisible de cette hypothèse était l'existence d'un énorme réservoir de gaz moléculaires associé qui devait être décelable par des
observations de radioastronomie. Les chercheurs ont pointé à nouveau le radiotélescope de 30m de l'IRAM muni de son nouveau récepteur EMIR à large bande de fréquences vers cet objet et ont eu la satisfaction de détecter la raie d'émission du monoxyde de carbone (CO) qui est le gaz moléculaire le plus couramment détecté dans les galaxies, confirmant la nouvelle hypothèse. Finalement, alors qu'ils s'attendaient bien à un décalage de la raie d'émission du CO vers le rouge (vers les basses fréquences), nommé redshift ou z, à cause de la vitesse de fuite des galaxies, leur surprise a été de taille en mesurant un redshift aussi élevé que z=3,92960+/-0.00013, impliquant une distance telle que nous observons la galaxie telle qu'elle était quand l'Univers avait seulement le dixième de son âge.

L'analyse des spectres prouve que la majorité de la poussière est chauffée à une température de 45K. A partir des raies de CO observées, les astronomes en ont déduit que la masse du gaz est comprise entre 200 et 1 000 milliards de masses solaires. Ils ont déduit aussi que les radiations de cette galaxie invisible en optique étaient émises aux longueurs d'ondes comprises entre l'
Infrarouge lointain et le millimétrique avec une puissance équivalente à celle produite par 500 000 milliards soleils. Son taux de formation d'étoiles serait aussi extrême, soit plus de 80 000 soleils formés par an, taux 50 fois supérieur à celui des galaxies les plus prolifiques connues à ce jour. Ces valeurs extrêmement élevées ne peuvent être réconciliées avec nos idées actuelles sur la formation d'étoiles qu'en évoquant un effet d'amplification de la galaxie par une lentille gravitationnelle en avant-plan. Par ailleurs, la température d'excitation modérée des raies de CO observées exclut un chauffage dominé par l'activité d'un trou noir supermassif au centre de la galaxie, et privilégie l'idée que cette galaxie est bien le siège de flambées de formation stellaire.

Afin de comprendre la vraie nature de cette source exceptionnelle, d'autres observations à plus haute résolution spatiale doivent maintenant être engagées pour rechercher des signatures de la lentille gravitationnelle. Nous pouvons déjà prévoir que l'objet va nous apparaître sous la forme de plusieurs images, comme le quasar du "Trèfle à quatre feuilles", ou va s'étaler dans un anneau d'Einstein comme le quasar PSSJ2322+1944.

L'anneau d'Einstein PSS J2322+1944, observé en raie CO(2-1) avec l'interféromètre du VLA. Redshift z=4,12. Crédit: © NRAO.
 
Selon le facteur d'amplification, cette galaxie lointaine et jeune pourrait nous renseigner sur l'ancêtre des Galaxies Infrarouges Lumineuses Simples (LIRG) proches, comme les galaxies en interaction "des Antennes", ou des Galaxies Infrarouges Ultralumineuse (ULIRG) proches, comme le système de galaxies en fusion Arp 220.
Image optique du télescope spatial Hubble des galaxies en interaction "Les Antennes",
qui sont des Galaxies Infrarouges Lumineuses (LIRG). Redshift z=0,006.
Crédit: © HST. NASA-ESA.
 
Les galaxies en fusion Arp 220, une Galaxie Infrarouge Ultralumineuse (ULIRG),
comme vu en proche infrarouge par le télescope spatial Hubble. Redshift z=0,02.
Crédit: © HST. NASA-ESA.
 
Source: CNRS / INSU
Illustrations: Voir les légendes

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