L'illustration de cet artiste montre le vaisseau spatial New Horizons de la NASA dans le système solaire externe. En arrière-plan se trouve le Soleil et une bande rougeoyante représentant la lumière zodiacale, causée par la lumière du soleil se reflétant sur la poussière. En voyageant au-delà du système solaire interne et de la pollution lumineuse qui l'accompagne, New Horizons a pu répondre à la question :à quel point l'espace est-il sombre ? En bas à droite se trouvent les étoiles de fond de la Voie lactée. Crédit :Joe Olmsted (STScI)
Comme le ciel est noir, et qu'est-ce que cela nous dit sur le nombre de galaxies dans l'univers visible ? Les astronomes peuvent estimer le nombre total de galaxies en comptant tout ce qui est visible dans un champ profond de Hubble, puis en les multipliant par la surface totale du ciel. Mais d'autres galaxies sont trop faibles et distantes pour être détectées directement. Pourtant, même si nous ne pouvons pas les compter, leur lumière imprègne l'espace d'une faible lueur.
Pour mesurer cette lueur, les satellites astronomiques doivent échapper au système solaire interne et à sa pollution lumineuse, causée par la lumière du soleil se reflétant sur la poussière. Une équipe de scientifiques a utilisé les observations de la mission New Horizons de la NASA vers Pluton et la ceinture de Kuiper pour déterminer la luminosité de ce fond optique cosmique. Leur résultat fixe une limite supérieure à l'abondance des faibles, galaxies non résolues, montrant qu'ils ne se comptent que par centaines de milliards, pas 2 billions de galaxies comme on le croyait auparavant.
À quel point l'espace devient-il sombre ? Si vous vous éloignez des lumières de la ville et que vous levez les yeux, le ciel entre les étoiles semble en effet très sombre. Au-dessus de l'atmosphère terrestre, l'espace s'assombrit encore plus, passant à un noir d'encre. Et pourtant même là, l'espace n'est pas absolument noir. L'univers a une faible lueur diffuse d'innombrables étoiles et galaxies lointaines.
De nouvelles mesures de cette faible lueur de fond montrent que les galaxies invisibles sont moins nombreuses que certaines études théoriques ne le suggèrent, ne comptant que des centaines de milliards plutôt que les deux billions de galaxies précédemment signalés.
« C'est un nombre important à connaître :combien y a-t-il de galaxies ? » a déclaré Marc Postman du Space Telescope Science Institute à Baltimore, Maryland, un auteur principal de l'étude. "Nous ne voyons tout simplement pas la lumière de deux billions de galaxies."
L'estimation précédente a été extrapolée à partir d'observations du ciel très profond par le télescope spatial Hubble de la NASA. Il s'est appuyé sur des modèles mathématiques pour estimer combien de galaxies étaient trop petites et faibles pour que Hubble puisse les voir. Cette équipe a conclu que 90% des galaxies de l'univers étaient au-delà de la capacité de Hubble à détecter dans la lumière visible. Les nouvelles découvertes, qui s'appuyait sur les mesures de la mission lointaine New Horizons de la NASA, suggèrent un nombre beaucoup plus modeste.
"Prenez toutes les galaxies que Hubble peut voir, doubler ce nombre, et c'est ce que nous voyons, mais rien de plus, " a déclaré Tod Lauer du NOIRLab de NSF, un auteur principal de l'étude.
Ces résultats seront présentés mercredi, 13 janvier lors d'une réunion de l'American Astronomical Society, qui est ouvert aux participants inscrits.
Le fond optique cosmique que l'équipe a cherché à mesurer est l'équivalent en lumière visible du fond diffus cosmologique plus connu :la faible rémanence du big bang lui-même, avant que les étoiles n'existent.
Cette photo montre un phénomène connu sous le nom de lumière zodiacale. En bas à gauche, une tache lumineuse s'étend en haut à droite en direction de Jupiter, l'objet brillant à gauche du centre. La lumière zodiacale est causée par la réflexion du soleil sur de minuscules particules de poussière dans le système solaire interne, les restes désintégrés des comètes et des astéroïdes. Les tentatives pour mesurer à quel point l'espace sombre utilise des télescopes comme Hubble ont été contrecarrées par cette lueur ambiante. Par conséquent, les astronomes se sont appuyés sur le lointain vaisseau spatial New Horizons de la NASA pour observer le ciel sans lumière zodiacale. L'arrière-plan faible qu'ils ont mesuré équivaut à voir la lumière du réfrigérateur d'un voisin à un kilomètre et demi. Ce très large, Le panorama multi-images a été pris en octobre 2014 au Canyon de Chelly National Monument, dans le nord-est de l'Arizona. La lumière zodiacale est à gauche, avec le nord de la Voie Lactée à droite. La constellation d'Orion est en haut à droite. Jupiter est l'objet le plus brillant à gauche du centre, tandis qu'un objet tout aussi brillant à droite (sous Orion) est Sirius. M44 (l'amas de Praesepe) est juste au-dessus de Jupiter. Sur l'horizon, une lueur jaune marque l'emplacement de la ville voisine de Chinle, Arizona. Crédit :Z. Levay
"Alors que le fond cosmique des micro-ondes nous parle des 450 premiers, 000 ans après le big bang, le fond optique cosmique nous dit quelque chose sur la somme totale de toutes les étoiles qui se sont formées depuis lors, " a expliqué Postman. " Cela met une contrainte sur le nombre total de galaxies qui ont été créées, et où ils pourraient être dans le temps."
Aussi puissant que soit Hubble, l'équipe n'a pas pu l'utiliser pour faire ces observations. Bien que situé dans l'espace, Hubble est en orbite autour de la Terre et souffre toujours de pollution lumineuse. Le système solaire interne est rempli de minuscules particules de poussière provenant d'astéroïdes et de comètes désintégrés. La lumière du soleil se reflète sur ces particules, créant une lueur appelée lumière zodiacale qui peut être observée même par les observateurs du ciel au sol.
Pour échapper à la lumière zodiacale, l'équipe a dû utiliser un observatoire qui s'est échappé du système solaire interne. Heureusement le vaisseau spatial New Horizons, qui a livré les images les plus proches de Pluton et de l'objet de la ceinture de Kuiper Arrokoth, est assez loin pour faire ces mesures. A sa distance (à plus de 4 milliards de kilomètres au moment de ces observations), New Horizons connaît un ciel ambiant 10 fois plus sombre que le ciel le plus sombre accessible à Hubble.
"Ces types de mesures sont extrêmement difficiles. Beaucoup de gens ont essayé de le faire pendant longtemps, " a déclaré Lauer. " New Horizons nous a fourni un point de vue pour mesurer le fond optique cosmique mieux que quiconque n'a pu le faire. "
L'équipe a analysé les images existantes des archives de New Horizons. Pour taquiner la faible lueur de fond, ils devaient corriger un certain nombre d'autres facteurs. Par exemple, ils ont soustrait la lumière des galaxies supposées exister qui sont trop faibles pour être identifiables. La correction la plus difficile consistait à supprimer la lumière des étoiles de la Voie lactée qui était réfléchie par la poussière interstellaire et dans la caméra.
Le signal restant, bien qu'extrêmement faible, était encore mesurable. Le facteur l'a comparé à vivre dans une région éloignée des lumières de la ville, couché dans votre chambre la nuit avec les rideaux ouverts. Si un voisin à un kilomètre de distance ouvrait son réfrigérateur à la recherche d'un en-cas de minuit, et la lumière de leur réfrigérateur se reflétait sur les murs de la chambre, ce serait aussi brillant que l'arrière-plan détecté par New Horizons.
Donc, quelle pourrait être la source de cette lueur restante? Il est possible qu'une abondance de galaxies naines dans l'univers relativement proche se trouve juste au-delà de la détectabilité. Ou les halos diffus d'étoiles qui entourent les galaxies pourraient être plus brillants que prévu. Il pourrait y avoir une population de voyous, étoiles intergalactiques réparties dans tout le cosmos. Peut-être le plus intrigant, il peut y avoir beaucoup plus de faible, galaxies lointaines que les théories ne le suggèrent. Cela signifierait que la distribution régulière des tailles de galaxies mesurées à ce jour augmente fortement juste au-delà des systèmes les plus faibles que nous puissions voir, tout comme il y a beaucoup plus de galets sur une plage que de rochers.
NASA's upcoming James Webb Space Telescope may be able to help solve the mystery. If faint, individual galaxies are the cause, then Webb ultra-deep field observations should be able to detect them.
This study is accepted for publication in Le Journal d'Astrophysique .
