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CES GALAXIES QUI CACHENT BIEN LEUR JEU

À l'aide du télescope spatial Hubble de la NASA/ESA, une équipe internationale d'astronomes, dont deux chercheurs de l'IAP, scrutent des flambées de formation d'étoiles au sein de galaxies naines dans l'Univers lointain.

Image HST/WFC3 : le champ GOODS contenant les galaxies naines distantes

Bien que ces galaxies soient des naines, elles possèdent une efficacité de formation stellaire encore inégalée : ces nouvelles observations obtenues par le télescope spatial montrent que les flambées de formation d'étoiles dans les galaxies naines ont joué un rôle plus important que prévu durant les époques reculées de l'histoire de l'Univers.

Alors que les galaxies donnent naissance à de nouvelles étoiles tout au long de l'évolution de l'Univers, la majorité de ces étoiles se formèrent entre deux et six milliards d'années après le Big Bang. Cette période est cruciale pour comprendre comment ces étoiles se sont formées et comment ces galaxies ont évolué depuis.

Une nouvelle étude utilisant des données de la caméra WFC3 de Hubble a permis aux astronomes de franchir une nouvelle étape dans notre compréhension de cette époque clé en étudiant un échantillon de galaxies naines dans l'Univers jeune. Une fraction de ces galaxies naines connaît en effet des sursauts de formation stellaire, formant des étoiles à une cadence extrêmement élevée, avec une efficacité nettement plus importante que la valeur normale prévue pour les galaxies. Les études précédentes étaient jusque-là restreintes aux galaxies massives, délaissant ainsi la population dominante en nombre durant cette période prolifique de formation stellaire.

Les propriétés de ces galaxies naines lointaines sont longtemps restées très difficiles à cerner. Les astronomes pouvaient seulement observer des petites galaxies proches ou bien des grandes galaxies lointaines. La grande sensibilité en infrarouge de la caméra WFC3 et la performance de son mode de spectroscopie sans fente [1] ont maintenant changé la donne, permettant aux astronomes d'analyser les galaxies naines dans l'Univers lointain, et d'en déduire la contribution de celles-ci à la formation stellaire totale durant cette période.

"On soupçonnait déjà ces galaxies naines à sursaut de formation stellaire de contribuer à la première vague de formation d'étoiles, mais c'est la première fois que nous pouvons réellement en mesurer l'importance," explique Hakim Atek de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en Suisse, premier auteur de l'article. "Elles ont manifestement joué un rôle très important à cette époque durant laquelle l'Univers a formé la majorité des étoiles que nous connaissons."

"Ces galaxies forment des étoiles à une vitesse telle qu'elles peuvent doubler la totalité de leur masse stellaire en seulement 150 millions d'années. Un tel gain en masse stellaire nécessiterait 1-3 milliards d'années pour la plupart des galaxies normales," ajoute Jean-Paul Kneib, également de l'EPFL.

Ces résultats contribuent à près d'une décennie d'efforts dans le but de comprendre le lien entre la masse des galaxies et leur activité de formation stellaire, et d'obtenir un scénario cohérent de l'histoire de formation stellaire dans l'Univers.

En plus de fournir de nouveaux éléments sur la manière dont s'est formée la majeure partie des étoiles dans l'Univers, ce résultat aidera à lever le voile sur les secrets de l'évolution des galaxies. Il est rare d'observer une galaxie dans une phase de sursaut de formation stellaire, ce qui indique qu'elles sont le résultat d'un incident inhabituel, tel qu'une fusion de galaxies, une interaction avec une autre galaxie, ou des ondes de choc provenant d'une supernova. À travers l'étude plus précise de ce type de galaxies, et la façon dont elles se sont formées et ont évolué durant leur jeune âge, les astronomes espèrent découvrir la cause de ces sursauts violents de formation d'étoiles, et mieux comprendre l'évolution des galaxies tout au long de l'histoire de l'Univers.

Notes
[1] Un grism disperse la lumière des galaxies, révélant ainsi la distribution en luminosité et en couleur. Ceci permet aux astronomes de déduire les propriétés physiques des galaxies ainsi que leur distance. Une telle étude a été possible grâce aux capacités d'observation depuis l'espace du télescope Hubble.

Le télescope spatial Hubble est un projet d'une coopération internationale entre l'ESA et la NASA.

L'équipe internationale d'astronomes de cette étude comprend :

Hakim Atek (EPFL, Suisse) ; Jean-Paul Kneib (directeur de recherche au CNRS détaché à l'EPFL, Suisse) ; Camilla Pacifici (Yonsei University Observatory, République de Corée) ; Matthew Malkan (University of California, USA) ; Stéphane Charlot (Institut d'Astrophysique de Paris-CNRS-UPMC, France) ; Janice Lee (Space Telescope Science Institute,USA) ; Alejandro Bedregal ( Minnesota Institute for Astrophysics, USA) ; Andrew J. Bunker (University of Oxford, UK) ; James W. Colbert (Spitzer Science Center, USA) ; Alan Dressler (Observatories of the Carnegie Institution for Science, USA) ; Nimish Hathi (Université d'Aix Marseille, France) ; Matthew Lehnert (Institut d'Astrophysique de Paris-CNRS-UPMC, France) ; Crystal L. Martin (Dep't. of Physics, Univ. of Calif, USA) ; Patrick McCarthy (Observatories of the Carnegie Institution for Science, USA) ; Marc Rafelski (Spitzer Science Center, USA) ; Nathaniel Ross (University of California, USA) ; Brian Siana (University of California Riverside, USA) ; et Harry I. Teplitz (Caltech, USA)



Liens
Communiqué de presse ESA (en anglais)

Hubblecast (vidéo en anglais)

Communiqué de presse de la NASA (en anglais)

Article scientifique en anglais dans Astrophysical Journal : "Hubble Space Telescope Grism Spectroscopy of Extreme Starbursts Across Cosmic Time: The Role of Dwarf Galaxies in the Star Formation History of the Universe" et sur arXiv/Astro-ph



Contacts

Hakim Atek
École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Sauverny, Switzerland.
hakim.atek à epfl.ch
Tél. : +41 78 722 9026

Jean-Paul Kneib
École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Sauverny, Switzerland
jean-paul.kneib à epfl.ch
Tél. : +41 22 3792473
Mobile : +33 695 795 392

Stéphane Charlot
Institut d'Astrophysique de Paris-CNRS-UPMC
charlot à iap.fr
Tél. : +33 1 4432 8183

Georgia Bladon
ESA/Hubble, Public Information Officer, Garching, Germany
gbladon à partner.eso.org
Tél. : +49-89-3200-6855



Image A : le champ GOODS contenant les galaxies naines distantes

Images A et B : un champ du relevé GOODS contenant les galaxies naines distantes (indiquées par un cercle rouge) formant des étoiles à un rythme phénoménal.

L'image montre la portion de ciel où se trouve l'échantillon de galaxies naines étudiées afin de percer les secrets de la formation stellaire dans l'Univers jeune. Parmi ces milliers de galaxies se cachent les galaxies naines de très faible luminosité qui sont observées entre deux et six milliards d'années après le Big Bang. Une partie de ces galaxies qui connaissent des sursauts de formation stellaire ont été étudiées par les astronomes afin de comprendre comment les étoiles se sont formées durant cette époque cruciale de l'histoire de l'Univers, durant laquelle la majorité des étoiles ont été produites. L'image est le produit d'une combinaison d'observations avec le télescope spatial Hubble et l'observatoire en rayons X Chandra. Le projet s'intitule Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS), et l'image montre seulement une partie du ciel couvert par ce sondage de galaxies, qui a permis de détecter des milliers de galaxies.

Image C : illustration représentant une image grism de Hubble

Image C : illustration représentant une image grism de Hubble

Cette image montre les données qui proviennent de l'utilisation du mode spectroscopique sans fente de la caméra à grand champ (WFC3) du télescope Hubble, un instrument de grande sensibilité. Les images sont obtenues par la combinaison d'un réseau de diffraction et d'un prisme qui séparent les différentes couleurs qui constituent la lumière d'une galaxie, produisant ce qu'on appelle un spectre. Dans cette image chaque spectre de galaxie a été coloré selon un arc-en-ciel afin de représenter la dispersion en couleur. Les astronomes peuvent ainsi examiner le spectre d'une galaxie afin d'identifier la lumière émise par la gaz d'hydrogène. Lorsque les étoiles se forment dans une galaxie, elles émettent un rayonnement intense qui « chauffe » le gaz d'hydrogène présent dans la galaxie, qui alors s'illumine. Toute la lumière provenant du gaz d'hydrogène est émise dans quelques raies d'émission étroites et brillantes. Celles-ci sont plus faciles à détecter que la faible lumière des étoiles, ce qui a permis aux astronomes de mieux comprendre la formation d'étoiles dans les galaxies naines. Car en dehors des raies d'émission de l'hydrogène, le continu de leurs spectres, est à peine visible.

Crédits images : NASA, ESA, H. Atek (EPFL, Suisse) and J-P. Kneib (EPFL, Suisse)

juin 2014

Institut d'Astrophysique de Paris - 98 bis boulevard Arago - 75014 Paris