Figure 1 :Une vue rapprochée de l'amas de galaxies observé. L'image est une compotie des données de la bande i (en rouge) de l'Hyper Suprime-Cam du télescope Subaru et des images de la bande R (en vert) et de la bande V (en bleu) du télescope Mayall de 4 m à l'Observatoire national de Kitt Peak de l'Observatoire national d'astronomie optique. Les courbes de niveau montrent la répartition des masses. Les cercles rouges et bleus montrent les galaxies qui ont arrêté la formation d'étoiles et les galaxies avec formation d'étoiles, respectivement. L'équipe de recherche a pu étudier l'évolution de la structure à grande échelle dans l'Univers en comparant la répartition des masses dans l'Univers et la répartition des galaxies. Crédit :Université d'Hiroshima/NAOJ
Un groupe de recherche dirigé par l'Université d'Hiroshima a révélé une image de la fraction croissante de galaxies massives formant des étoiles dans l'univers lointain. Galaxies massives formant des étoiles dans l'univers lointain, il y a environ 5 milliards d'années, tracer une structure à grande échelle dans l'univers. Dans l'univers voisin, il y a environ 3 milliards d'années, les galaxies massives formant des étoiles ne sont pas apparentes. Ce changement dans la façon dont les galaxies stellaires tracent la distribution de la matière est cohérent avec l'image de l'évolution des galaxies établie par d'autres études indépendantes.
Les galaxies dans l'univers tracent des modèles à très grande échelle; il y a de grandes régions vides (appelées "vides") et des régions denses où existent les galaxies. Cette distribution est appelée la toile cosmique. Les concentrations les plus massives de galaxies sont les amas. La formation de la toile cosmique est régie par l'action de la gravité sur la mystérieuse "matière noire" invisible qui existe dans tout l'univers. La matière baryonique normale que l'on peut voir tombe dans les halos de matière noire et forme des galaxies. L'action de la gravité sur environ 14 milliards d'années d'histoire de l'univers fait que les halos se regroupent. L'emplacement des galaxies ou des amas dans cette énorme toile cosmique teste notre compréhension de la façon dont la structure se forme dans l'univers.
De plus en plus, des observations plus approfondies et plus étendues avec des télescopes comme le télescope Subaru fournissent une image plus claire de la façon dont les galaxies évoluent au sein de la toile cosmique. Bien sûr, on ne peut pas voir la matière noire directement. Cependant, on peut utiliser les galaxies que l'on voit pour tracer la matière noire. Il est également possible d'utiliser la façon dont la gravité des amas de galaxies déforme des galaxies de fond plus éloignées, faible lentille gravitationnelle, comme un autre traceur.
Figure 2 :Répartition de la masse (à gauche) et des galaxies (à droite) dans la zone correspondante. La caractéristique remarquable de la distribution des galaxies est également visible sur le côté gauche, Distribution de masse, tandis que les zones sans structure à droite n'ont pas non plus de caractéristique à gauche. Crédit :Université d'Hiroshima/NAOJ
Le groupe d'Hiroshima a combiné ces deux traceurs :les galaxies et leur faible signal optique pour cartographier le rôle changeant des galaxies massives formant des étoiles à mesure que l'univers évolue.
La lentille faible est un phénomène qui fournit une technique puissante pour cartographier la contribution changeante des galaxies en formation d'étoiles en tant que traceurs de la toile cosmique. L'amas de galaxies et le halo de matière noire qui l'entoure agissent comme une lentille gravitationnelle. La lentille déforme la lumière passant par des galaxies plus éloignées et déforme les images de celles-ci. Les distorsions de l'apparence des galaxies d'arrière-plan fournissent une image bidimensionnelle de la répartition de la matière noire au premier plan qui agit comme une énorme lentille. L'excellente imagerie du télescope Subaru couvrant de vastes régions du ciel fournit exactement les données nécessaires pour construire des cartes de cette faible lentille.
Dr Yousuke Utsumi, membre de l'équipe de construction Hyper Suprime-Cam et professeur assistant de projet à l'Université d'Hiroshima, a effectué une observation d'une heure d'une zone de ciel à 4 degrés 2 en direction de la constellation du Cancer. La figure 1 montre une vue rapprochée d'un amas de galaxies avec la carte de lentilles faibles traçant la distribution de la matière. Les pics les plus élevés sur les cartes correspondent aux amas massifs de galaxies au premier plan qui se trouvent à 5 milliards d'années-lumière.
Figure 3 :La distribution des galaxies par rapport à la distance. Les panneaux montrent la distribution tridimensionnelle des galaxies, vu de l'observateur sur Terre. Les points rouges représentent les galaxies au repos et les points bleus sont les galaxies en formation d'étoiles. Les boîtes dans le cône sont à 3 et 5 milliards d'années-lumière de l'observateur. Les cartes à côté des zones fermées montrent la distribution correspondante des galaxies. Crédit :Université d'Hiroshima/NAOJ
Pour cartographier la distribution tridimensionnelle des galaxies du premier plan, les spectrographes sur de grands télescopes comme le MMT de 6,5 mètres dispersent la lumière avec un réseau. L'expansion de l'univers déplace la lumière vers le rouge et en mesurant ce décalage on mesure les distances aux galaxies. L'utilisation de la spectroscopie place les galaxies dans la toile cosmique. Les observations localisent les galaxies en formation d'étoiles et celles qui ne forment plus d'étoiles.
Des collaborateurs dirigés par le Dr Margaret Geller (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) ont effectué des mesures spectroscopiques pour les galaxies. L'instrument Hectospec sur le MMT permet de mesurer les décalages vers le rouge pour 250 galaxies à la fois. L'enquête contient des mesures pour 12, 000 galaxies.
Le relevé de décalage vers le rouge MMT fournit la carte de la manière dont tous les types de galaxies pourraient contribuer à la carte de faible lentille. Parce que le relevé MMT fournit des distances aux galaxies, des tranches de la carte à différentes distances correspondant à différentes époques de l'histoire de l'univers peuvent également être réalisées et comparées à la carte en lentille.
Figure 4 :Gros plans de l'amas de galaxies à 3 milliards d'années-lumière (en haut) et 5 milliards d'années-lumière (en bas). Ces panneaux montrent la répartition de la masse (à gauche), galaxies au repos (au milieu), et les galaxies en formation d'étoiles (à droite), respectivement. Il y a trois milliards d'années, il est difficile de voir une quelconque similitude entre les galaxies en formation d'étoiles et la distribution de masse, mais il y a une bien plus grande similitude dans les cartes d'il y a 5 milliards d'années. Crédit :Université d'Hiroshima/NAOJ
L'enquête MMT fournit une carte prédite de la toile cosmique basée sur les positions des galaxies dans l'espace tridimensionnel. L'équipe de recherche a comparé cette carte avec la carte de faible lentille pour découvrir les similitudes. La figure 2 montre que le pic le plus élevé et les plus grandes régions vides sont similaires sur les deux cartes. En d'autres termes, la distribution de matière tracée par les galaxies du premier plan et la distribution tracée par la carte de lentilles faibles Subaru sont similaires. Il y a deux visions complémentaires de la toile cosmique dans cette parcelle de l'univers.
S'ils découpent la carte tridimensionnelle en différentes tranches de décalage vers le rouge ou de temps, ils peuvent examiner la façon dont la correspondance entre ces cartes et la carte de faible lentille change pour différentes tranches (Figure 3). Remarquablement, la distribution des galaxies stellaires autour d'un amas de galaxies dans l'univers le plus éloigné (il y a 5 milliards d'années) correspond beaucoup plus à la carte à lentilles faibles qu'à une tranche de l'univers plus proche (il y a 3 milliards d'années). En d'autres termes, la contribution des galaxies stellaires à la toile cosmique est plus importante dans l'univers lointain. Ces cartes sont la première démonstration de cet effet dans le faible signal de lentille (Figure 4).
L'équipe de recherche ouvre une nouvelle fenêtre sur l'évolution des galaxies en comparant la distribution tridimensionnelle des galaxies cartographiée avec un relevé de décalage vers le rouge comprenant des galaxies en formation d'étoiles à une carte à faible lentille basée sur l'imagerie Subaru.
"Il s'avère que la contribution des galaxies stellaires en tant que traceurs de la distribution de masse dans l'univers lointain n'est pas négligeable, " a déclaré le Dr Utsumi. " La carte à faible lentille HSC devrait contenir des signaux provenant de galaxies plus éloignées dans l'univers vieux de 8 milliards d'années. Des relevés de décalage vers le rouge plus profonds combinés à des cartes similaires à lentilles faibles devraient révéler une contribution encore plus importante des galaxies en formation d'étoiles en tant que traceurs de la distribution de la matière dans cette plage de décalage vers le rouge plus élevée. En utilisant le spectrographe de nouvelle génération pour le télescope Subaru, Spectrographe Prime Focus (PFS), nous espérons étendre nos cartes à l'ère intéressante."
