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VLT – au-delà de Hubble, MUSE dessine l’image tridimensionnelle de l’Univers lointain

26/02/2015

Une équipe internationale de chercheurs travaillant sur l’instrument MUSE1 du Very Large Telescope2 de l’ESO3 a réalisé la vue tridimensionnelle de l’Univers profond la plus précise jamais réalisée à ce jour sur une durée d’observation de seulement de 27 heures. Le champ pointé avait déjà été observé par le télescope Hubble, mais MUSE y ajoute une quantité spectaculaire d’informations telles que les distances, la composition chimique et les mouvements des galaxies lointaines. Mieux encore, MUSE a pu détecter de nouveaux objets restés invisibles pour Hubble. Ce sont là les premiers résultats d’importance livrés par l’instrument MUSE, qui avait obtenu sa première lumière le 31 janvier 2014. Ce spectrographe 3D grand champ unique en son genre, fruit d’un consortium piloté par le Centre de recherche en astrophysique de Lyon (CRAL – CNRS/Université Claude Bernard-Lyon 1/ENS-Lyon), est un équipement phare de l'astronomie européenne de ce début de troisième millénaire. Les résultats, qui impliquent des chercheurs du CRAL et de l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie à Toulouse (IRAP – CNRS/Université Paul Sabatier), sont à paraître dans la revue Astronomie & Astrophysics du 26 février 2015.

Grâce à des très longues observations pointées sur quelques régions du ciel, les astronomes ont réalisé de nombreuses images de l’Univers lointain, dites champs profonds. Ces images ont révélé de nombreuses informations sur l’Univers lorsqu’il était tout jeune. La plus célèbre d’entre elles est celle du Champ profond de Hubble réalisées avec le télescope spatial Hubble NASA/ESA pendant plusieurs jours à la fin 1995. Cette image spectaculaire, et emblématique, a transformé notre vision de l’Univers jeune. Deux années plus tard une vue similaire était produite sur une portion du ciel de l’hémisphère sud : le Champ profond sud de Hubble.

Toutefois, ces images à elles seules ne suffisent pas à tout comprendre des objets du ciel profond. Pour obtenir plus d’informations, les astronomes étaient alors contraints d’observer un-à-un les objets avec d’autres instruments, tâche longue et laborieuse. Mais maintenant, pour la première fois, le nouvel instrument MUSE peut réaliser les deux actions en même temps et bien plus rapidement.

L’une des premières observations réalisées avec MUSE après qu’il ait été installé et testé sur le VLT en 2014 a été une longue observation du champ profond sud de Hubble. Le résultat dépasse toutes les espérances.

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L’arrière-plan de cette image composée montre une image réalisée avec le télescope spatial NASA/ESA Hubble d’une région appelée le champ profond sud de Hubble. Les nouvelles observations réalisées avec l’instrument MUSE installé au très grand télescope (VLT) de l’ESO ont permis de détecter des galaxies lointaines invisibles pour Hubble. Deux exemples de ces galaxies sont indiqués sur cette image composée. Ces objets sont totalement invisibles sur les images de Hubble mais apparaissent très clairement dans la partie appropriée des données en tridimensionnelles de MUSE. Crédit: ESO/MUSE Consortium/R. Bacon

« Après seulement quelques heures d’observation au Chili nous avons jeté un œil aux données et nous avons découvert beaucoup de galaxies – c’était très encourageant. De retour en Europe nous avons commencé à étudier les données plus en détail. C’était comme pécher en eau profonde et chaque nouvelle « prise » générait beaucoup d’enthousiasme et de discussion sur les « espèces » que nous étions en train de découvrir » explique Rolland Bacon, (Centre de Recherche Astrophysique de Lyon, France, CNRS), chercheur responsable de l’instrument MUSE et de l’équipe qui a réalisé ces observations.

Ainsi pour chaque élément de l’image du HDF-S prise par MUSE il n’y a pas seulement des pixels, mais aussi un spectre révélant l’intensité des différentes couleurs de la lumière à cet endroit - près de 90 000 spectres au total [4]. À partir de ces spectres il est possible de connaitre la distance, la composition et les mouvements internes de centaines de galaxies lointaines - ainsi que de quelques étoiles très faiblement lumineuses appartenant à notre galaxie.

Bien que le temps de pose total ait été bien plus court que pour les images de Hubble, les données de MUSE du HDF-S dévoilent plus de vingt objets très peu lumineux dans cette petite zone du ciel que Hubble n’avait pas du tout observés [5].

« Notre plus grande excitation a été de constater que nous voyions des galaxies extrêmement distantes, qui n’étaient même pas visible dans les images les plus profondes de Hubble. Après tant d’années de travail sur l’instrument, cela a été un joie immense de voir l’instrument en action et nos rêves se concrétiser » ajoute Roland Bacon.

L’analyse détaillée des spectres mesurés du HDF-S a permis à l’équipe de déterminer la distance de 189 galaxies. Certaines de ces galaxies sont relativement proches mais la plupart sont très éloignées et très anciennes et datent de moins d’un milliard d’années après le Big Bang. C’est plus de 10 fois le nombre de mesure de distance dont nous disposions précédemment dans cette zone du ciel.

Pour les galaxies les plus proches, MUSE est capable de les observer avec un luxe de détail sans précèdent.  En observant les différentes parties de la même galaxie, MUSE peut ainsi déterminer leur rotation et mettre en évidence comment les autres propriétés varient d’un endroit à l’autre. C’est un des moyens les plus puissants pour comprendre comment les galaxies évoluent au cours du temps cosmique.

« Maintenant que nous avons démontré les capacités exceptionnelles de MUSE pour explorer l’Univers profond, nous allons observer d’autres champs profonds tels que le Champ ultra-profond de Hubble. Nous serons en mesure d’étudier des milliers de galaxies et d’en découvrir de nouvelles, très ténues ou très lointaines. Ces jeunes galaxies, observées telles qu’elles étaient il y a 10 milliards d’années ont progressivement grandi pour devenir des galaxies semblables à notre Voie lactée d’aujourd’hui » conclut Roland Bacon.

Notes

[1] Le consortium MUSE est piloté par le Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (CRAL : INSU-CNRS/Université Claude Bernard-Lyon 1/ENS Lyon) et comprend les centres de recherche suivants : l'Observatoire européen Austral (ESO), le Leiden Observatory (NOVA - Hollande), l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie (IRAP - INSU-CNRS/Université Paul Sabatier ; Observatoire Midi-Pyrénées), l'Institut für Astrophysik (Georg-August University of Göttingen - Allemagne), l'Insitute for Astronomy à ETH, Zurich (Suisse) et l'Astrophysikalisches Institut Potsdam (Allemagne).

[2] Le Very Large Telescope (VLT) est constitué de 4 télescopes de 8 m de diamètre, associés à une série d’instruments performants.

[3] L’ESO (European Southern Observatory) est la première organisation intergouvernementale pour l’astronomie en Europe et est l’observatoire astronomique le plus productif au monde. Au nom de ses 15 pays membres, il gère trois sites d’observation au Chili : La Silla, Paranal et Chajnantor. En Europe, c’est l’ESO qui réalise et gère les plus grands équipements pour l’astronomie au sol.

[4] Chaque spectre couvre une gamme de longueurs d’onde allant de la partie bleue du spectre jusqu’au proche infrarouge (375 – 930 nanomètres).

[5] MUSE est particulièrement sensible aux objets qui émettent le gros de leur énergie à certaines longueurs d’onde bien spécifiques telles que celles montrées dans les données sous forme de points brillants. Les galaxies du jeune Univers présentent typiquement ce genre de spectre car elles contiennent de l’hydrogène gazeux qui rayonne dans l’ultraviolet depuis les jeunes et chaudes étoiles.

Ressources complémentaires

Chercheurs IRAP impliqués :

  • Thierry Contini, Nicolas Bouché, Benoit Epinat, Geneviève Soucail

Contact IRAP :

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