La distribution des galaxies dans la région du proto-superamas il y a 11,5 milliards d'années (en haut à gauche), et l'image Suprime-Cam du télescope Subaru utilisée dans ce travail (à droite, image plus grande). La distribution de gaz hydrogène neutre est superposée sur l'image Subaru. La couleur rouge indique des régions plus denses du gaz hydrogène neutre. Les carrés cyan correspondent aux galaxies membres du proto-superamas, tandis que les objets sans carrés cyan sont des galaxies et des étoiles au premier plan. La répartition de l'hydrogène gazeux neutre ne s'aligne pas parfaitement avec les galaxies. Crédit :Université d'Osaka Sangyo / NAOJ
Une équipe dirigée par des chercheurs de l'Université d'Osaka Sangyo, avec des membres de l'Université du Tohoku, Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA) et autres, a utilisé la Suprime-Cam du télescope Subaru pour créer la carte la plus complète du gaz hydrogène neutre dans l'univers primitif. Ce nuage apparaît largement étalé sur 160 millions d'années-lumière dans et autour d'une structure appelée le proto-superamas. C'est la plus grande structure de l'univers lointain, et existait il y a environ 11,5 milliards d'années. Un tel nuage de gaz est extrêmement précieux pour étudier la formation de structures à grande échelle et l'évolution des galaxies à partir du gaz dans l'univers primitif, et mérite une enquête plus approfondie.
« Nous sommes surpris car la structure gazeuse dense s'étend beaucoup plus que prévu dans le proto-superamas, " a déclaré le Dr Mawatari. " Des observations sur un champ plus large avec des filtres à bande étroite sont nécessaires pour saisir une image complète de cette plus grande structure dans le jeune Univers. C'est exactement le type de recherche solide qui peut être fait avec Hyper Suprime-Cam (HSC) récemment montée sur le télescope Subaru. Nous avons l'intention d'étudier la relation gaz - galaxie dans divers proto-superamas en utilisant le HSC."
Comprendre la distribution de la matière dans l'univers
Des étoiles assemblées pour former des galaxies, et les galaxies sont regroupées pour former des structures plus grandes telles que des amas ou des superamas. La matière dans l'univers actuel est structurée de manière hiérarchique à des échelles d'environ 100 millions d'années-lumière. Cependant, nous ne pouvons pas observer de structure inhomogène dans aucune direction ou distance sur des échelles plus grandes que cela. Une question importante dans l'astronomie moderne est de clarifier comment parfaitement l'uniformité et l'homogénéité à grande échelle dans la distribution de la matière sont maintenues. En outre, les astronomes cherchent à étudier les propriétés des graines de structures à grande échelle (c'est-à-dire, les fluctuations initiales de la matière) qui existaient au début de l'univers. Ainsi, il est important d'observer d'énormes structures à différentes époques (ce qui se traduit par des distances). L'étude de la matière gazeuse ainsi que des galaxies est nécessaire pour une compréhension précise et globale. En effet, les superamas locaux sont connus pour être riches en gaz. Par ailleurs, il est clair qu'il existe de nombreuses galaxies nouveau-nées dans des amas anciens (ou lointains). Une comparaison détaillée entre les distributions spatiales des galaxies et du gaz au cours des premières époques de l'univers est très importante pour comprendre le processus de formation des galaxies à partir des amas de gaz sombres (faiblement émettant de la lumière) dans l'univers primitif.
Images schématiques d'un schéma d'analyse de travaux antérieurs (à gauche) et d'une nouvelle méthode (à droite). Dans l'approche précédente, fondamentalement, une seule source de lumière de fond (quasar) peut être utilisée dans une zone recherchée. D'autre part, avec le nouveau régime, il est plus facile de résoudre spatialement la densité de gaz hydrogène neutre en utilisant de nombreuses galaxies normales dans une zone recherchée comme sources de lumière de fond. Dans le nouveau régime, la force d'absorption par l'hydrogène gazeux neutre est estimée en mesurant la quantité de flux des galaxies d'arrière-plan qui s'atténue dans l'image à bande étroite, pas en utilisant le spectre. En combinant ce schéma avec la capacité d'imagerie étendue du télescope Subaru, Mawatari, et al. a fait la carte la plus complète de gaz hydrogène neutre jamais créée. Crédit : Crédit :Université d'Osaka Sangyo / NAOJ
Afin d'enquêter au plus tôt, faibles nuages de gaz, les astronomes profitent du fait que la lumière des objets distants brillants est atténuée par le gaz de premier plan (donnant un effet comme une "image d'ombre"). Étant donné que l'hydrogène neutre dans le nuage de gaz absorbe et atténue la lumière des objets d'arrière-plan à une certaine longueur d'onde, nous pouvons voir une caractéristique d'absorption dans le spectre de l'objet d'arrière-plan. Dans de nombreuses observations précédentes, les chercheurs ont utilisé des quasars (qui sont très lumineux et distants) comme sources lumineuses de fond. Parce que les quasars brillants sont très rares, les possibilités de telles observations sont limitées. Cela permet aux astronomes d'obtenir des informations sur le gaz qui se trouve uniquement le long de la ligne de visée entre un seul QSO et la Terre dans une vaste zone d'étude. L'objectif a longtemps été d'obtenir des informations "multidimensionnelles" sur les gaz (par exemple, résoudre spatialement les nuages de gaz) plutôt que la vue "unidimensionnelle" actuellement disponible. Cela nécessite une nouvelle approche.
Élargir la vue
Pour élargir leur vision de ces objets dans l'univers primitif, Le Dr Ken Mawatari de l'Université d'Osaka Sangyo et ses collègues ont récemment développé un schéma pour analyser la distribution spatiale de l'hydrogène gazeux neutre à l'aide de données d'imagerie de galaxies de l'époque lointaine. Cette approche présente deux avantages majeurs. D'abord, au lieu de rares quasars, l'équipe utilise de nombreuses galaxies normales comme sources lumineuses de fond pour étudier la distribution du gaz à divers endroits dans la zone de recherche. Seconde, ils utilisent des données d'imagerie prises avec le filtre à bande étroite sur Suprime-cam. Il est réglé avec précision pour que la lumière avec certaines longueurs d'onde puisse être transmise, pour capturer des preuves d'absorption par le gaz hydrogène neutre (l'effet d'image d'ombre). Par rapport au schéma traditionnel d'observations basé sur la spectroscopie des quasars, cette nouvelle méthode permet à Mawatari et à ses collaborateurs d'obtenir relativement rapidement des informations sur la distribution de gaz à grande échelle.
Les chercheurs ont appliqué leur schéma aux données d'imagerie Suprime-Cam du télescope Subaru prises lors de leur précédente vaste étude des galaxies. Les champs étudiés dans ce travail comprennent le champ SSA22, un ancêtre d'un superamas de galaxies (proto-superamas), où les jeunes galaxies se forment activement, dans l'univers il y a 11,5 milliards d'années dans l'univers primitif.
Répartition céleste de l'hydrogène gazeux neutre dans les trois champs étudiés dans ce travail. Alors que dans les champs normaux (SXDS et GOODS-N), la densité de gaz hydrogène neutre est cohérente avec la densité moyenne de l'univers entier il y a 11,5 milliards d'années, la densité de l'hydrogène gazeux neutre est supérieure à la moyenne sur l'ensemble du champ du proto-superamas SSA22. Les contours correspondent à la densité numérique des galaxies. Gras, solide mince, et les contours en pointillés signifient la moyenne, haute densité, et les régions à faible densité, respectivement. Crédit :Université d'Osaka Sangyo / NAOJ
Nouvelles cartes de distribution d'hydrogène neutre
Les travaux des chercheurs ont abouti à des cartes très étendues de l'hydrogène gazeux neutre dans les trois champs étudiés. Il apparaît que l'absorption d'hydrogène gazeux neutre est significativement forte sur l'ensemble du champ du proto-superamas SSA22 par rapport à celles des champs normaux (SXDS et GOODS-N). Il est clairement confirmé que l'environnement du proto-superamas est riche en hydrogène gazeux neutre, qui est le principal élément constitutif des galaxies.
Les travaux de l'équipe ont également révélé que la distribution des gaz dans la région du proto-superamas ne correspond pas parfaitement à la distribution des galaxies. Alors que le proto-superamas est riche en galaxies et en gaz, il n'y a pas de dépendance à l'échelle locale de la quantité de gaz corrélée à la densité des galaxies à l'intérieur du proto-superamas. Ce résultat peut signifier que l'hydrogène gazeux neutre est non seulement associé aux galaxies individuelles, mais qu'il se répand également de manière diffuse dans l'espace intergalactique uniquement à l'intérieur du proto-superamas. L'excès de gaz hydrogène neutre dans le champ SSA22 étant détecté sur toute la zone recherchée, cette structure gazeuse trop dense s'étend en réalité sur plus de 160 millions d'années-lumière. Dans la vision traditionnelle de la formation des structures, On pense que la fluctuation de la densité de matière est plus petite et que les structures à haute densité à grande échelle étaient plus rares dans l'univers primitif. La découverte qu'une structure de gaz qui s'étend sur plus de 160 millions d'années-lumière (ce qui correspond à peu près à l'échelle des superamas actuels) existait déjà dans l'univers il y a 11,5 milliards d'années est un résultat surprenant de cette étude.
En étudiant la distribution spatiale de l'hydrogène gazeux neutre dans une très grande zone, les chercheurs ont ouvert une nouvelle fenêtre sur la relation entre le gaz et les galaxies dans le jeune univers. L'énorme structure de gaz SSA22 révélée par ce travail est considérée comme un objet clé pour tester la théorie standard de la formation de la structure, et donc une enquête plus approfondie est prévue.
