Un instrument conçu pour imager le vaste réseau de gaz qui relie les galaxies de l'univers a été expédié de Los Angeles à Hawaï, où il sera intégré à l'Observatoire W. M. Keck.

L'instrument, appelé Keck Cosmic Web Imager, ou KCWI, a été conçu et construit par une équipe de Caltech dirigée par le professeur de physique Christopher Martin. Ce sera l'un des meilleurs instruments au monde pour prendre des images spectrales d'objets cosmiques, des images détaillées où chaque pixel peut être visualisé dans toutes les longueurs d'onde de la lumière visible. Ces informations spectrales à haute résolution permettront aux astronomes d'étudier les compositions, vitesses, et des masses de nombreux objets, comme les étoiles et les galaxies, d'une manière qui n'était pas possible auparavant.

L'un des principaux objectifs de KCWI, et une passion de Martin depuis 30 ans, est de répondre à la question :que fait le gaz autour des galaxies ?

"Depuis des décennies, les astronomes ont démontré que les galaxies évoluent. Maintenant, nous essayons de comprendre comment et pourquoi, " dit Martin. "Nous savons que le gaz autour des galaxies les alimente finalement, mais il est si faible, nous n'avons toujours pas été en mesure de l'examiner de près et de comprendre comment ce processus fonctionne."

Martin et son équipe étudient ce qu'on appelle la toile cosmique, un vaste réseau de flux de gaz entre les galaxies. Récemment, les scientifiques ont trouvé des preuves soutenant ce qu'on appelle le modèle d'écoulement froid, dans lequel ce gaz s'engouffre dans les noyaux des galaxies, où il se condense et forme de nouvelles étoiles. Les chercheurs avaient prédit que les filaments de gaz s'écouleraient d'abord dans une grande structure en forme d'anneau autour de la galaxie avant de s'y enrouler en spirale, exactement ce que Martin et son équipe ont découvert à l'aide du Palomar Cosmic Web Imager, un précurseur de KCWI, à l'observatoire Palomar de Caltech, près de San Diego.

"Nous avons mesuré la cinématique, ou mouvement, du gaz autour d'une galaxie et a trouvé un très grand disque rotatif connecté à un filament de gaz, " dit Martin. " C'était le pistolet fumant pour le modèle d'écoulement à froid. "

Avec KCWI, les chercheurs examineront de plus près les filaments de gaz et les structures en forme d'anneau autour des galaxies situées à une distance de 10 à 12 milliards d'années-lumière, une époque où notre univers avait environ 2 à 4 milliards d'années. KCWI peut non seulement prendre des photos plus détaillées que le Palomar Cosmic Web Imager, il a d'autres avancées telles que de meilleurs revêtements de miroir. La combinaison de ces améliorations avec le fait que KCWI est installé sur l'un des télescopes jumeaux Keck de 10 mètres - le plus grand observatoire du monde avec certains des ciels les plus sombres connus sur Terre - signifie que KCWI aura une performance améliorée de plus d'un ordre de grandeur sur le Palomar Cosmic Web Imager.

KCWI cartographiera le gaz s'écoulant du milieu intergalactique - l'espace entre les galaxies - dans de nombreuses jeunes galaxies, révélateur, pour la première fois, le mode dominant de formation des galaxies dans l'univers primitif. L'instrument recherchera également les vents supergalactiques des galaxies qui ramènent le gaz dans le milieu intergalactique. Comment le gaz entre et sort des galaxies en formation est la question centrale ouverte dans la formation des structures cosmiques.

"Nous avons conçu KCWI pour étudier des objets très sombres et diffus, notre accent principal étant mis sur la toile cosmique vaporeuse et les interactions des galaxies avec leur environnement, " dit Mateusz (Matt) Matuszewski, l'instrumentiste du projet.

KCWI est également conçu pour être plus un instrument à usage général que l'imageur Web cosmique de Palomar, qui est principalement pour les études de la toile cosmique. Il étudiera tout, des jets de gaz autour des jeunes étoiles aux vents des étoiles mortes et des trous noirs supermassifs et plus encore. "L'instrument est vraiment polyvalent, " dit Matuszewski. " Les observateurs peuvent configurer l'optique pour ajuster les échelles et les résolutions spatiales et spectrales en fonction de leurs intérêts. "

Les écrous et boulons de KCWI

Les scientifiques et les ingénieurs ont été occupés à assembler les éléments très complexes de l'instrument KCWI à Caltech depuis 2012. L'instrument a à peu près la taille d'un camion de crème glacée et pèse plus de 4, 000 kilogrammes. La caractéristique principale de KCWI est sa capacité à capturer des informations spectrales sur les objets, comme les galaxies, à travers une large image. Typiquement, les astronomes capturent des spectres à l'aide d'instruments appelés spectrographes, qui ont des fenêtres étroites en forme de fente. Le spectrographe sépare la lumière de la fente en chacune des couleurs composant l'objet cible, tout comme un prisme qui répand la lumière dans un arc-en-ciel. Mais les spectrographes traditionnels ne peuvent pas être utilisés pour capturer des informations spectrales sur une image entière.

"Les spectrographes traditionnels utilisent plusieurs petites fentes pour capturer de nombreuses étoiles ou les noyaux de nombreuses galaxies, " dit Martin. " Maintenant, nous voulons regarder les caractéristiques qui s'étendent dans le ciel, comme les jets stellaires et les galaxies, qui ont des structures complexes, vitesses, et les flux de gaz. Si vous ne pouvez regarder qu'à travers une fente, vous ne pouvez voir qu'une petite partie de ce qui se passe. Mais nous voulons voir l'ensemble du tableau. C'est pourquoi nous avons besoin d'un spectrographe imageur, un appareil qui vous donne une image pour chaque longueur d'onde sur une vue large."

Pour créer un spectrographe capable d'imager des objets plus étendus comme les galaxies, KCWI utilise ce qu'on appelle une conception de terrain intégrale, qui divise essentiellement une image en 24 fentes, et rassemble toutes les informations spectrales à la fois.

"Si vous regardez quelque chose de grand dans le ciel, il est inefficace d'avoir une seule fente et de traverser cet objet, ainsi un spectrographe de champ intégral combine un certain nombre de miroirs en forme de fente sur un champ de vision continu, " dit Patrick Morrissey, le scientifique du projet pour KCWI qui travaille maintenant au JPL. "Imaginez que vous regardez dans un miroir brisé - l'image réfléchie est déplacée en fonction des angles des pièces. C'est ainsi que fonctionne le spectrographe de champ intégral. Une série de miroirs fonctionne ensemble pour faire apparaître une pile de fentes de forme carrée sur une image comme une seule fente verticale traditionnelle."

KCWI a la résolution spectrale la plus élevée de tous les spectrographes à champ intégral, ce qui signifie qu'il peut mieux briser l'arc-en-ciel de lumière pour voir plus de couleurs, ou des longueurs d'onde. La première phase de l'instrument, maintenant en route pour Keck, couvre le côté bleu du spectre visible, couvrant les gammes de longueurs d'onde de 3500 à 5600 Angströms. Une deuxième phase, étendre la couverture au côté rouge du spectre, jusqu'à 10400 Angströms, sera construit ensuite.

KCWI pour gravir le Mauna Kea

Après l'arrivée de KCWI à Hawaï le 18 janvier, les ingénieurs le guideront jusqu'au sommet du Mauna Kea, où Keck est perché. Une série de tests de contrôle et d'alignement est prévue, et sera suivie dans quelques mois des premières observations au télescope Keck.

"Il y a des voies ferrées autour du télescope où sont installés les instruments, " dit Morrissey. " C'est comme une de ces vieilles rotondes de chemin de fer où le train entrerait et ils le fileraient vers un espace disponible pour le stockage. Le télescope se retourne, désigne l'instrument que l'astronome veut utiliser, et puis ils roulent cet instrument. Bientôt, KCWI fera partie du télescope."

KCWI est financé par la National Science Foundation, à travers le programme de l'Association des universités pour la recherche en astronomie (AURA), et par la Fondation Heising-Simons, le W.M. Fondation Keck, la Division Caltech de Physique, Mathématiques et Astronomie, et les observatoires optiques Caltech.