Cette vue d'artiste montre une galaxie de type Voie Lactée dans l'Univers local, entouré d'un halo bleu beaucoup plus large, faible lumière, fait de photons Lyman-alpha. Alors que ces photons ont été produits autour de chaud, de jeunes stars dans des régions beaucoup plus centrales, ils luttent pour échapper aux galaxies, souffrant de nombreuses absorptions et réémissions alors qu'ils tentent de s'échapper, et la création de ces halos géants. Pour les galaxies lointaines typiques, seulement quelques pour cent s'en sortent vraiment. C'est ce que les astronomes ont maintenant pu voir pour des galaxies similaires qui existaient il y a 11 milliards d'années, chez un très jeune, Univers actif. Cela a des implications importantes pour l'étude du jeune Univers, où ces photons sont remarquablement importants, mais ne sont généralement mesurés que sur la composante très centrale de chaque galaxie. Crédit :ESO/L. Calçada
Les astronomes dirigés par David Sobral et Jorryt Matthee, des universités de Lancaster au Royaume-Uni et de Leyde aux Pays-Bas ont découvert des halos géants autour des premières galaxies de type Voie lactée, fait de photons (particules élémentaires de lumière) qui ont eu du mal à leur échapper. L'équipe rend compte de ses conclusions dans le journal Avis mensuels de la Royal Astronomical Society .
Afin de comprendre comment notre propre galaxie de la Voie Lactée s'est formée et a évolué, les astronomes s'appuient sur l'observation de galaxies lointaines. Comme leur lumière met des milliards d'années à nous atteindre, les télescopes peuvent être utilisés comme machines à remonter le temps, tant que nous avons un indicateur clair pour déterminer la distance aux objets observés. Comme pour les galaxies plus proches, étoiles et planètes, les astronomes utilisent la technique de la spectroscopie pour analyser leur lumière, en le dispersant dans un spectre.
Les scientifiques recherchent ensuite des traits caractéristiques (lignes spectrales) qui leur renseignent sur les propriétés, notamment la composition, température et mouvement de l'objet. Avec les galaxies les plus lointaines, une seule caractéristique spectrale se démarque généralement, la ligne dite Lyman-alpha associée à l'hydrogène gazeux.
Jorryt Matthee commente :« Les étoiles nouvellement nées dans des galaxies très éloignées sont suffisamment chaudes pour briser l'hydrogène dans les nuages de gaz environnants, qui brille alors brillamment dans la lumière Lyman-alpha, en théorie, les caractéristiques les plus fortes observables dans une galaxie lointaine. Pourtant en pratique, Les photons Lyman-alpha luttent pour s'échapper des galaxies alors que le gaz et la poussière se bloquent et divergent leurs chemins de voyage, ce qui en fait un processus complexe à comprendre."
La figure montre quelques observations menées avec le télescope Isaac Newton à La Palma et avec le télescope UKIRT à Hawaï de l'une des (presque 1000) jeunes galaxies de type Voie lactée au tout début de l'Univers. Les résultats ont permis aux astronomes de mesurer où, et combien, des photons ont été produits (indiqués par les lignes de contour rouges), puis comparer avec celles qui se sont réellement échappées (lignes de contour bleues) de ces lointaines galaxies. Les résultats révèlent de grands halos de photons Lyman-alpha qui ont eu du mal à s'échapper, alors que la grande majorité de ces photons ne le font jamais du tout. Crédit :J. Matthee/D. Sobral
À l'aide du télescope Isaac Newton (INT) à La Palma dans les îles Canaries, les astronomes ont développé une expérience unique pour étudier près de 1000 galaxies lointaines. Ils ont sondé le ciel à l'aide de la caméra à grand champ et de filtres sur mesure, afin de mesurer où le Lyman-alpha est produit, combien il y en a, et d'où il sort des galaxies.
David Sobral déclare :« Nous avons utilisé des dizaines de nuits dédiées sur l'INT pour comprendre comment les photons Lyman-alpha s'échappent, et de quelles galaxies. Nous avons regardé en arrière 11 milliards d'années, essentiellement la limite où nous pouvons identifier les galaxies lointaines et les étudier en détail. Plus important encore, nous avons pu prédire avec précision combien de photons Lyman-alpha ont été effectivement produits dans chaque galaxie et où cela s'est produit. Ensuite, nous les avons comparés avec ceux qui atteignent réellement l'INT."
Les résultats montrent que seulement 1 à 2 % de ces photons s'échappent des centres de galaxies comme la Voie lactée. Même si l'on tient compte de tous les photons à grande distance du centre, moins de 10 % s'échappent.
"Les galaxies formant des étoiles dans l'Univers lointain semblent être entourées d'une masse impressionnante, faible halo de photons Lyman-alpha qui ont dû voyager pendant des centaines de milliers d'années-lumière dans une série presque infinie d'événements d'absorption et de réémission, jusqu'à ce qu'ils soient enfin libres. Nous devons maintenant comprendre exactement comment et pourquoi cela se produit", ajoute Sobral.
Lorsque le télescope spatial James Webb entrera en service en 2018, les astronomes s'attendent à pouvoir remonter encore plus loin dans le temps, ouvrant une nouvelle fenêtre sur les premières galaxies et étoiles. L'étude de l'évolution de la fraction d'échappement au fil du temps peut nous renseigner sur le type d'étoiles produisant ces photons, et les propriétés du gaz interstellaire et intergalactique.
