Dans une année normale, les étudiants se seraient rendus au Chili pour visiter les télescopes Magellan à l'observatoire de Las Campanas. Heureusement, Le professeur Mike Gladders et TA Gourav Khullar ont pu passer à l'utilisation de données prises à distance pour la classe. Crédit :Jan Skowron / CC BY-SA 3.0
Le ciel nocturne est une machine à remonter le temps naturelle, utilisé par les cosmologistes pour explorer les origines et l'évolution de l'univers. Pénétrer dans les profondeurs du passé, une classe d'étudiants de premier cycle à l'Université de Chicago a cherché à faire de même et a découvert une galaxie extraordinairement lointaine dans le cosmos primitif.
La lumière émise par des objets célestes lointains met beaucoup de temps à atteindre les observateurs terrestres. Cela signifie que les étoiles et les galaxies que nous voyons dans le ciel nous apparaissent telles qu'elles auraient existé des millions, voire des milliards, il y a des années.
La lumière de la galaxie découverte vient d'une époque où l'univers n'avait que 1,2 milliard d'années, environ un dixième de son âge actuel. Par ce point, la jeune galaxie avait déjà accumulé une masse impressionnante comparable à la version actuelle de notre galaxie d'origine, la voie Lactée.
"Cette galaxie que nous avons observée, en regardant et en retournant dans le passé, est déjà adulte. Il a déjà formé presque une valeur d'étoiles de la Voie Lactée, " a déclaré Michael Gladders, professeur au département d'astronomie et d'astrophysique de l'Université de Chicago. "C'est assez mature, mais à un stade beaucoup plus précoce de l'univers."
La découverte a été une étape décisive dans la première itération d'un cours sur le terrain développé pour la nouvelle majeure en astrophysique offerte par UChicago. Les étudiants de la classe de deux quarts ont formé une nouvelle collaboration de recherche, FROID-LAMPES, et a étudié les bases de données d'imagerie publiques à la recherche de galaxies à lentilles. Cette découverte remarquable a été confirmée par des observations d'instruments au sol :les télescopes Magellan au Chili et le télescope Gemini North à Hawaï.
"Le télescope de la nature"
Une galaxie lentille est une galaxie dont la lumière émise a été courbée par la gravité d'un objet massif situé entre la galaxie et le point d'observation. Cet effet, connu sous le nom de lentille gravitationnelle, crée une distorsion, image en forme d'arc de la galaxie avec une luminosité intensément agrandie.
Gladders, qui a enseigné le cours sur le terrain au premier semestre 2020, appelle la lentille gravitationnelle "le télescope de la nature". forme particulière de mise au point et de grossissement qui nous permet d'étudier les galaxies avec beaucoup plus de détails que nous ne le pourrions normalement, " il a dit.
La lumière de la galaxie découverte était si fortement amplifiée par un amas d'autres galaxies au premier plan qu'elle rivalisait avec les images du ciel prises depuis l'espace.
"C'était un télescope au sol prenant des données de cet arc absolument magnifique, " dit Gourav Khullar, un doctorat UChicago. candidat qui a servi comme assistant d'enseignement pour le cours sur le terrain et est le premier auteur de l'article décrivant les résultats. "C'est environ cent fois plus lumineux que les images classiques de galaxies aussi éloignées du télescope spatial Hubble!"
Une étude approfondie des populations stellaires de cette galaxie, entrepris par les étudiants-collaborateurs, a conclu en réalisant qu'il s'agissait de la galaxie à lentille la plus brillante jamais observée dans cette période de l'univers primitif.
Sans lentille gravitationnelle, bien que, la galaxie lointaine semblerait beaucoup plus sombre, si visible du tout.
"L'arc a été agrandi par la lentille intermédiaire de telle manière qu'il est extrêmement lumineux, " a déclaré Khullar. "Mais une version sans lentille de la galaxie ne ressemblerait pas à ça; il serait beaucoup plus faible et pas du tout détectable par les installations au sol actuelles. »
Un effet appelé lentille gravitationnelle crée une distorsion, image en forme d'arc d'une galaxie derrière elle qui n'aurait peut-être pas été visible autrement, comme cette galaxie extrêmement ancienne. Crédit :Khullar et al
Traverser la pandémie
Le cours sur le terrain a été conçu pour fournir aux étudiants en astrophysique une expérience réelle, possibilité de recherche de pointe. A l'origine modeste dans l'ambition, Gladders a convaincu le département et le Collège d'investir dans une expérience de terrain complète, y compris une visite aux télescopes de Magellan pour participer au temps d'observation astronomique pendant les vacances de printemps.
Mais la pandémie de coronavirus a contrecarré ces plans, arrachant ce qui était censé être l'expérience de base de la classe.
« Tout était réservé, " a déclaré Gladders. " J'avais déjà organisé des voyages vers d'autres sites d'observation, chantiers pour voir les télescopes en cours de construction, et voir le Chili lui-même."
Au milieu des temps sombres, les étudiants de COOL-LAMPS ont poursuivi le scan des données du ciel public, atteignant finalement leur découverte galactique éclairante.
"Pour moi, c'était un choc que nous ayons trouvé quelque chose d'aussi important, " dit Emily Sisco, une majeure en astrophysique de quatrième année qui a participé au cours sur le terrain au cours de la dernière année universitaire. "Tout le travail que nous avions fait menait à ce moment, mais j'étais quand même choqué!"
Des premiers résultats intrigants ont encouragé la collaboration COOL-LAMPS à poursuivre le temps d'observation pour une deuxième vague d'étude. Des plans sont définis pour observer la galaxie à l'aide de télescopes au sol au Nouveau-Mexique et en Europe, ainsi que deux des télescopes spatiaux en orbite de la NASA, Hubble et l'observatoire de rayons X Chandra.
"Avec une imagerie à plus haute résolution depuis l'espace, les astronomes pourront résoudre la structure de cette galaxie, " dit Ezra Sukay, qui a rejoint la collaboration COOL-LAMPS en tant qu'étudiant de troisième année au Collège. "Cela révélera des détails sur la formation d'étoiles dans des galaxies très massives au début de l'univers."
Gladders s'attendait à ce que le cours réussisse d'une manière ou d'une autre, mais je n'avais pas prévu une galaxie si exceptionnellement brillante, loin dans le temps, ou mûrir comme ce qui a été découvert. "C'est juste absolument fantastique, " a-t-il dit. "Je suis tellement fier d'eux, ils ont fait un très bon travail."
En janvier, Gladders commencera à enseigner une deuxième version du cours sur le terrain, ajouter de nouveaux étudiants à COOL-LAMPS qui continueront à sonder la formation et l'évolution des galaxies à travers le temps cosmique.
"L'un des grands objectifs de l'étude du cosmos est de répondre à la question fondamentale de savoir d'où nous venons, " dit Gladders. " Nous en tant qu'espèce, mais aussi la planète sur laquelle nous vivons, le système solaire dans lequel se trouve la planète, et la galaxie dans laquelle se trouve notre système solaire.
"Nous répondons à ce désir profond de comprendre d'où tout vient et finalement, comment s'intègre-t-on ?"
COOL-LAMPS est l'abréviation de ChicagO Optically-selected strong Lenses—Localed At the Margins of Public Surveys.
