Des galaxies mystérieuses à grand redshift découvertes par Planck et Herschel : un chaînon manquant de la cosmologie ?

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Des galaxies mystérieuses à grand redshift découvertes par Planck et Herschel : un chaînon manquant de la cosmologie ?

Une équipe internationale, dirigée par des astrophysiciens de l’Institut d’Astrophysique Spatiale d’Orsay (CNRS et Univ. Paris-Sud) et de l’Institut d’Astrophysique et Planétologie de Toulouse (CNRS, Univ Paul Sabatier), ont découvert à l’aide des satellites Planck et Herschel de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) de nouvelles et énigmatiques galaxies lointaines formant d’impressionnantes quantités d’étoiles. La plupart de ces galaxies distantes ont la propriété curieuse de se regrouper fortement – et pourraient être les amas de galaxies en formation tant recherchés – , alors que d’autres sont seules mais néanmoins très brillantes – et sont confirmées comme étant des galaxies amplifiées par effet de lentille gravitationnelle. Ces galaxies lointaines nouvellement découvertes et très actives en formation stellaire peuvent aider les scientifique à répondre à une problématique centrale en cosmologie : comment se forment les grandes structures dans l’Univers ?

Du point de  l’évolution des galaxies, l’étude des époques cosmiques durant lesquelles les galaxies formaient intensément des étoiles dans des halos de matière noire peut fournir une grande quantité de contraintes observationnelles. Parmi celles-ci on trouve la cinématique et l’histoire de l’évolution des galaxies dans les amas de galaxies massifs ainsi que sur le gaz intra-amas. Du point de vue de la cosmologie, les amas de galaxies fournissent des informations sur le contenu baryonique de l’Univers, sur l’agrégation de la masse à grande échelle en structures, ainsi que sur la présence d’éventuelles non-gaussianités primordiales1.La recherche d’amas de galaxies lointains et/ou de galaxies lointaines amplifiées par l’effet de lentille gravitationnelle est donc un des sujets brûlants de la cosmologie observationnelle contemporaine. Dans ce cadre, le satellite Planck de l’ESA a le potentiel de découvrir ces objets rares sur l’ensemble du ciel,alors que l’observatoire spatial Herschel de l’ESA peut parfaitement les examiner en détail.

Le satellite Planck fournit la première image de la totalité du ciel dans les ondes submillimétriques (au delà de l’infrarouge et presque dans les ondes radio) avec la sensibilité requise pour identifier systématiquement les rares sources submillimétriques les plus lumineuses et à grand redshift2 sur le ciel. Ces sources peuvent être soit des galaxies gravitationnellement amplifiées, soit le cumul de l’émission en infrarouge lointain et submillimétrique d’un ensemble de galaxies à sursaut intense de formation d’étoile. Ces groupes de galaxies sont prévus par les modèles, et devraient se trouver dans les halos de matière noire les plus massifs qui croissent et se contractent rapidement avec en leur sein du gaz et des galaxies. Ils constituent précisément ces premiers amas de galaxies (parfois appelés proto-amas) à grand redshift tant recherchés. Peu d’informations sont connues sur ces groupes de galaxies, et les scientifiques de Planck ont commencé une recherche dédiée et systématique dans les données sur tout le ciel, et beaucoup de candidats ont été découverts. Ces objets rares étant détectées par Planck, les astrophysiciens ont besoin d’une confirmation pour la caractérisation détaillée. Herschel a ainsi observé plus de 200de ces objets – dans le cadre d’un programme unique faisant intervenir du temps exceptionnellement accordé avant la fin de la mission – et a révélé des résultats surprenants.

« Nous avons immédiatement été surpris par le flux élevé de certaines galaxies ou la forte concentration angulaire d’autres galaxies. La découverte de tant de galaxies à flambée de formation stellaire si concentrées dans de petites régions du ciel était frappante. Nous pourrions être témoins d’un épisode mystérieux et manquant dans notre compréhension de la formation des grandes structures cosmologiques: la phase où des groupes de galaxies forment intensément des étoiles à grand redshift, peut-être des proto-amas, précurseurs des grands amas de galaxies d’aujourd’hui», explique le Pr. Hervé Dole(IAS,Orsay) qui dirige l’analyse effectuée dans le cadre de la collaboration Planck impliquant plusieurs laboratoires en France, en Europe et aux Etats-Unis.

« La plupart des cibles sont sélectionnées dans les données de Planck en utilisant une méthode dédiée qui exploite les infimes fluctuations dans les images dont le signal est compatible avec la présence de galaxies à grand redshift », explique Dr Ludovic Montier (IRAP, Toulouse) qui a développé la méthode de détection et sélection. Dr MattiaNegrello (INAF, Italie) ajoute «quelques autres cibles ont été choisies dans le catalogue de sources compactes de Planck publié en 2013, le PCCS ». « Les deux méthodes de sélection, à partir des images ou des catalogues, utilisent le même principe de sélection en couleur qui favorisent la présence de galaxies à redshift supérieur à deux, soit environ 3 milliards d’années (ou moins) après le Big Bang ; il restait aux observations de Herschel de nous démontrer que l’on avait choisi les bonnes sources !», ajoute H.Dole.

« La résolution angulaire de Herschel et sa haute sensibilité nous permettent alors de dévoiler la nature des candidats Planck à grand redshift», explique David Guéry (IAS) doctorant en charge de l’analyse des données Herschel; «Nous sommes en mesure d’identifier dans les images de Herschel soit de simples galaxies très brillantes –une signature possible de galaxies gravitationnellement amplifiées –, soit des concentrations de galaxies rouges–une signature possible de surdensités de galaxies et amas de galaxies potentiels » poursuit-il.

Dr Nicole Nesvadba (IAS) ajoute que «certaines de nos galaxies sont tellement amplifiées gravitationnellement qu’elles sont parmi les plus brillantes jamais détectées sur le ciel, et leur analyse détaillée est en cours». Clément Martinache (IAS), doctorant en charge de l’analyse proche infrarouge, indique que «certaines surdensités de galaxies découvertes par Planck et Herschel, que l’on suspecte être des proto-amas, sont aussi observées dans l’infrarouge proche où elles montrent des signes concourants et non équivoques d’agrégation en amas de galaxies. »

En résumé, les astrophysiciens ont découvert que la plupart des candidats Planck à grand redshift sont des concentrations de galaxies formant intensément des étoiles – et ce, à des taux de formation stellaire typiques de plus de 500 fois celui de notre Galaxie. Plus important encore, de nombreux indices montrent qu’elles pourraient être des amas à grand redshift (z>2). Cette importante découverte révèle les grandes structures dans leur phase de formation stellaire intense – qui correspond probablement à leur phase de formation – jamais observée auparavant avec autant de détails et sur un si large échantillon. En outre, quelques joyaux sont également détectés dans le reste des données: des galaxies ultrabrillantes à haut redshift, amplifiées par effet de lentille gravitationnelle, permettant une étude physique aussi détaillée de la composition du gaz et de la dynamique que dans les galaxies proches. Les premiers résultats sont publiés dans un article scientifique dans la revue Astronomy & Astrophysics signé par la collaboration Planck.

« Ce programme met parfaitement en valeur la synergie entre Planck et Herschel », explique le Pr Douglas Scott (UBC, Vancouver), « Planck sélectionne d’abord les cibles les plus intéressantes sur l’ensemble du ciel, puis Herschel met l’accent sur ces points pour une analyse plus fine. » Chaque mission spatiale est utilisée au maximum de ses possibilités, qui sont complémentaires, et en synergie.

« Planck est une fantastique expérience optimisée pour l’étude du fond cosmologique, mais dans le même temps permet des percées majeures dans d’autres domaines scientifiques», explique le Dr Jean-Loup Puget (IAS), le responsable scientifique du projet Planck, « comme montré récemment sur les champs magnétiques galactiques et la lumière polarisée des poussières de notre Galaxie, ou ici sur la thématique de la formation des structures à grande échelle et des galaxies à grand redshift. »

Dr Bruno Altieri (ESA) ajoute: «Herschel a déjà découvert de nombreuses galaxies lointaines dans les sondages profonds, mais cette fois-ci il nous permet d’ouvrir une nouvelle fenêtre avec ces galaxies brillantes amplifiées et ces candidats amas en formation à grand redshift.»

H. Dole conclut «Ce nouveau programme, dont les données ont été prises il y a quelques années quand Planck et Herschel observaient, en est à son début. Après la découverte de ces candidats à grand redshift et intense formation d’étoiles, nous faisons désormais un suivi de nombreuses cibles intéressantes avec d’autres observatoires au sol et dans l’espace. En outre, cette synergie impressionnante entre deux grandes missions du programme spatial européen, Planck et Herschel, a été rendue possible grâce au travail dédié  de nombreux collègues dans le monde entier, et aussi des équipes scientifiques de Planck et Herschel. C’est un bel effort de toute une équipe, et d’autres résultats impressionnants sont attendus dans les mois à venir, alors que nous préparons aussi l’avenir avec Euclid, la prochaine mission de l’ESA dédiée à la cosmologie. »

1 Les non-gaussianités primordiales sont des fluctuations prédites par certains modèles

2 le redshift (ou décalage vers le rouge cosmologique) est une mesure liée à la distance cosmologique de l’objet

3 Ce travail, effectué dans le cadre du CNRS et de l’Univ. Paris-Sud, fait l’objet d’un soutien du CNES, du CNRS (PNCG), de la région Île-de-France, de l’ANR.

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En bas à droite : la totalité du ciel observé par Planck à 545 GHz, avec en points rouges les candidats observés par Herschel. En haut et à gauche : quelques images de Herschel, avec les contours de densité de galaxies. © Dole, Guéry, Planck Collab., IAS, CNES, univ. Paris-Sud, CNRS

Ressources Complémentaires

A propos de Planck

Lancé en 2009, Planck a été conçu pour cartographier le ciel dans neuf fréquences en utilisant deux instruments à la pointe de la technologie: l’instrument à basse fréquence LFI, qui comprend les bandes de fréquences 30-70 GHz, et l’instrument à haute fréquence HFI, qui couvre les fréquences 100-857 GHz. HFI a terminé son enquête en Janvier 2012, alors que LFI a continué à faire des observations scientifiques jusqu’au 3 Octobre 2013, avant d’être éteint le 19 Octobre 2013.

La première image tout le ciel de Planck a été publiée en 2010, et les premières données scientifiques ont été publiés en 2011. La première image du fond cosmologique a été publié en mars 2013. La prochaine série de résultats cosmologiques incluant la polarisation sera publié en décembre 2014.

 La collaboration scientifique Planck se compose de tous les scientifiques qui ont contribué au développement de la mission, et qui participent à l’exploitation scientifique des données au cours de la période de propriété. Ces scientifiques sont membres de l’un ou de plusieurs des quatre consortia: le Consortium LFI, le Consortium HFI, le Consortium DK-Planck, et le Bureau des sciences Planck de l’ESA. Les deux centres de traitement des données de Planck sont situés à Paris, en France et Trieste, en Italie. Le consortium LFI est dirigé par N. Mandolesi, Agenzia Spaziale Italiana ASI, Italie (vice-PI: M. Bersanelli, Università degli Studi di Milano, Italie), et a été responsable du développement et de l’exploitation de LFI. Le consortium HFI est dirigé par J-L. Puget à l’IAS (vice-PI: F. Bouchet, Institut d’Astrophysique de Paris), et a été responsable du développement et de l’exploitation de HFI. Le CNES a soutenu le développement de HFI, de son centre de traitement (DPC), et de l’exploitation.

 Plus d’informations sur http://www.planck.fr et http://www.cosmos.esa.int/web/planck

 

A propos de Herschel

L’observatoire spatial Herschel de l’ESA est constitué du plus grand et du plus puissant télescope infrarouge jamais envoyé dans l’espace. Premier observatoire couvrant toute la gamme de l’infrarouge lointain au submillimétrique, Herschel est sensible à l’infrarouge lointain bien au delà de toutes les missions précédentes. Il permet d’étudier les régions invisibles de l’Univers proche et lointain, froides et obscurcies par la poussière interstellaire.

L’observatoire dispose de trois instruments scientifiques de pointe: deux caméras et un spectromètre à très haute résolution.

Plus d’informations sur http://www.herschel.fr

Contact IRAP

  • Ludovic Montier : ludovic.montier@irap.omp.eu

Auteur : CNRS INSU

Date : 31/03/20152015/03/31

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