Vue d'artiste d'un starburst enveloppé de poussière. Crédit :ESO/M. Kornmesser
À l'aide de plusieurs radiotélescopes à travers le monde, une équipe d'astronomes du Cosmic Dawn Center de Copenhague a découvert plusieurs galaxies de l'univers primitif qui, en raison de quantités massives de poussière, étaient cachées à notre vue. Les observations ont permis à l'équipe de mesurer la température et l'épaisseur de la poussière, démontrant que ce type de galaxies contribuait de manière significative à la formation totale d'étoiles alors que l'univers n'avait que 1/10 de son âge actuel.
Mesurer la vitesse à laquelle les étoiles naissent dans les galaxies à travers le temps cosmique est l'une des principales façons dont les astronomes décrivent les propriétés et l'évolution des galaxies.
Diverses méthodes sont utilisées pour estimer ce que l'on appelle le taux de formation d'étoiles, généralement en fonction de la lumière émise soit par les étoiles, soit par la matière éclairée par les étoiles.
Poussière cosmique
Cependant, les étoiles qui se forment ont tendance, à leur tour, à créer de la poussière, des particules composées d'éléments lourds tels que le carbone, le silicium, l'oxygène et le fer. La poussière apparaît sous forme de nuages épais dans l'espace entre les étoiles, cachant peut-être complètement les étoiles à nos yeux.
Il est donc difficile d'obtenir un recensement du taux de formation d'étoiles, en particulier dans les jeunes galaxies "starburst", où la poussière n'a pas encore eu le temps de se disperser loin des sites compacts de formation d'étoiles.
Lorsque la poussière est chauffée par les étoiles, elle commence à briller dans une lumière infrarouge à grande longueur d'onde qui, bien qu'invisible à l'œil humain, peut être détectée par des télescopes conçus pour observer ces longueurs d'onde.
Mais pour les éclats d'étoiles les plus compacts et les plus poussiéreux, nous ne voyons que la surface des nuages. Ces galaxies sont invisibles non seulement aux longueurs d'onde optiques "humainement perceptibles", mais aussi au début du spectre infrarouge, complètement sombre même pour le télescope spatial Hubble.
Six vues différentes de la même galaxie (ID12646), vue moins d'un milliard d'années après le Big Bang, à des longueurs d'onde progressivement plus longues. Les deux premières images montrent — ou plutôt ne montrent pas — la galaxie dans le proche infrarouge; la galaxie est complètement invisible. Ce n'est qu'en regardant les longueurs d'onde plus longues que la galaxie est révélée. Crédit :Shuowen Jin / Peter Laursen
Galaxies à la radio
Une équipe d'astronomes - dirigée par Shuowen Jin (靳 硕 文), postdoctorante Marie Curie au Cosmic Dawn Center, et comprenant plusieurs autres DAWNers - a donc décidé de jeter un coup d'œil à l'univers primitif à des longueurs d'onde encore plus longues, en utilisant les antennes radio / micro-ondes dans deux des plus grands observatoires radio du monde, l'Atacama Large Millimeter Array (ALMA) au Chili et le Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) en France.
Avec les observations du même champ dans le ciel acquises avec d'autres radiotélescopes, les observations de Jin ont révélé une population de galaxies compactes en étoile, recouvertes de nuages de poussière extrêmement épais.
Percer les nuages
Les observations radio et micro-ondes ont permis aux astronomes de mesurer le taux de formation d'étoiles et la température de la poussière.
« À ces époques, 1 à 2 milliards d'années après le Big Bang, des galaxies comme celles-ci ont contribué de manière significative au taux total de formation d'étoiles de l'univers, mais passent inaperçues dans les observations optiques et dans le proche infrarouge », explique Shuowen Jin.
L'étude explique pourquoi ces galaxies sont si sombres dans l'optique et l'infrarouge :"Parce que les nuages de poussière sont si épais et denses, la lumière optique et proche infrarouge ne peut pas traverser. Même la lumière infrarouge lointaine est partiellement absorbée", explique Shuowen Jin.
Les observations révèlent non seulement de la poussière, mais aussi des molécules de monoxyde (CO), mélangées au sein des nuages. La lumière émise par le CO peut aider les astronomes à sonder une autre quantité importante des galaxies, à savoir la masse de tout le gaz de la galaxie. Cependant, l'un des principaux résultats des travaux de Jin et de ses collaborateurs est que la manière standard de déduire les masses de gaz à partir des émissions de CO est erronée :
La lumière observée est émise par les surfaces des nuages poussiéreux. Les modèles typiques ne considèrent pas que la lumière est bloquée à l'intérieur des nuages, changeant sa longueur d'onde avant de s'échapper. La prise en compte de cet effet a des implications assez drastiques :
"Notre modèle tient compte du fait que même la lumière infrarouge ne s'échappe pas directement du centre des nuages de poussière. Cela nous montre que les estimations précédentes des masses de gaz ont été surestimées d'un facteur de 2 à 3 dans les poussières compactes, poussiéreuses, étoilées. formant des galaxies", explique Shuowen Jin.
L'étude vient d'être acceptée pour publication dans Astronomy &Astrophysics . Une prépublication est disponible sur arXiv.org. De nouvelles images utilisant les données de télescopes à la retraite révèlent des caractéristiques cachées dans les galaxies voisines
