Pour la première fois, les astronomes ont pu combiner les images optiques les plus profondes de l'univers, obtenues par le télescope spatial Hubble, avec des images tout aussi nettes dans la partie proche infrarouge du spectre en utilisant un nouveau système sophistiqué d'étoiles guides laser pour l'optique adaptative à l'observatoire WM Keck à Hawaï. Les nouvelles observations, présentées lors de la réunion de l'American Astronomical Society (AAS) à San Diego cette semaine, révèlent des détails sans précédent sur les galaxies en collision avec des trous noirs massifs à leur cœur, vus à une distance d'environ 5 milliards d'années-lumière, lorsque l'univers était un peu plus de la moitié de son âge actuel.
L'observation de galaxies éloignées dans le domaine infrarouge révèle des populations d'étoiles plus anciennes que celles observables aux longueurs d'onde optiques, et la lumière infrarouge pénètre également plus facilement dans les nuages de poussière interstellaire que la lumière optique. Les nouvelles images infrarouges de galaxies éloignées ont été obtenues par une équipe de chercheurs de l'Université de Californie, Santa Cruz, UCLA et l'Observatoire W. Keck. Jason Melbourne, un étudiant diplômé de l'UC Santa Cruz et auteur principal de l'étude, a déclaré que les premiers résultats incluent quelques surprises et que les chercheurs continueront d'analyser les données dans les semaines à venir.
«Nous n'avons jamais été en mesure d'atteindre ce niveau de résolution spatiale dans l'infrarouge auparavant», a déclaré Melbourne.
En plus de Melbourne, l'équipe de recherche, dirigée par David Koo de UCSC et James Larkin de UCLA, comprend Jennifer Lotz, Claire Max et Jerry Nelson à UCSC; Shelley Wright et Matthew Barczys à UCLA; et Antonin H. Bouchez, Jason Chin, Scott Hartman, Erik Johansson, Robert Lafon, David Le Mignant, Paul J. Stomski, Douglas Summers, Marcos A. van Dam et Peter L. Wizinowich à l'observatoire de Keck.
«Pour la première fois dans ces images profondes de l'univers, nous pouvons couvrir toutes les longueurs d'onde de la lumière de l'optique à l'infrarouge avec le même niveau de résolution spatiale. Cela nous permet d’observer des sous-structures détaillées dans des galaxies éloignées et d’étudier leurs étoiles constitutives avec une précision que nous ne pourrions pas obtenir autrement », a déclaré Koo, professeur d’astronomie et d’astrophysique à l’UCSC.
Les images ont été obtenues par Wright et l'équipe Keck AO lors des tests du système optique adaptatif d'étoile guide laser sur le télescope Keck II de 10 mètres. Ce sont les premières images de qualité scientifique de galaxies éloignées obtenues avec le nouveau système. Cela représente une étape majeure pour le Center for Adaptive Optics Treasury Survey (CATS), qui utilisera l'optique adaptative pour observer un grand échantillon de galaxies faibles et éloignées dans le premier univers, a déclaré Larkin de l'UCLA.
"Nous avons travaillé très dur pendant plusieurs années pour collecter des données autour d'étoiles brillantes. Mais nous avons été très limités en termes de nombre et de types d'objets que nous pouvons observer. Ce n'est qu'avec le laser que nous pouvons maintenant atteindre les cibles les plus riches et les plus excitantes. » Dit Larkin.
L'optique adaptative (AO) corrige l'effet de flou de l'atmosphère, qui dégrade sérieusement les images vues par les télescopes au sol. Un système AO mesure précisément ce flou et corrige l'image à l'aide d'un miroir déformable, en appliquant des corrections des centaines de fois par seconde. Pour mesurer le flou, l'AO nécessite une source lumineuse ponctuelle dans le champ de vision du télescope, qui peut être créée artificiellement en utilisant un laser pour exciter les atomes de sodium dans la haute atmosphère, ce qui les fait briller. Sans une telle étoile guide laser, les astronomes ont dû compter sur des étoiles brillantes («étoiles guides naturelles»), ce qui limite considérablement les possibilités d'utilisation de l'AO dans le ciel. De plus, les étoiles guides naturelles sont trop brillantes pour permettre l'observation de galaxies très faibles et éloignées dans la même partie du ciel, a déclaré Koo.
"L'avènement de l'étoile guide laser à Keck a ouvert le ciel pour des observations d'optique adaptative, et nous pouvons maintenant utiliser Keck pour nous concentrer sur les domaines où nous avons déjà de merveilleuses images optiques profondes du télescope spatial Hubble", a déclaré Koo.
Étant donné que le diamètre du miroir du télescope Keck est quatre fois plus grand que celui de Hubble, il peut obtenir des images quatre fois plus nettes que Hubble dans le proche infrarouge maintenant que le système optique adaptatif d'étoile guide laser est disponible pour surmonter les effets de flou de l'atmosphère.
Les images présentées à la réunion de l'AAS ont été obtenues dans une zone du ciel connue sous le nom de champ GOODS-South, où Hubble, l'observatoire de rayons X Chandra et d'autres télescopes ont déjà fait des observations profondes. Il y a six galaxies pâles dans les images, dont deux sources de rayons X identifiées par Chandra. Les émissions de rayons X, combinées à la morphologie désordonnée de ces objets, suggèrent une récente fusion, a déclaré Melbourne. Les fusions peuvent canaliser de grandes quantités de matière au centre d'une galaxie, et les émissions de rayons X du centre galactique indiquent la présence d'un trou noir massif qui consomme activement de la matière.
"Nous sommes maintenant assez certains que nous voyons des galaxies qui ont subi des fusions récentes", a déclaré Melbourne. «L'un de ces systèmes possède un double noyau, vous pouvez donc réellement voir les deux noyaux des galaxies qui fusionnent. L'autre système est très désordonné - il ressemble à une épave de train - et est une source de rayons X beaucoup plus puissante. »
En plus d'éclairer le noyau galactique avec des émissions de rayons X, les fusions ont également tendance à déclencher la formation de nouvelles étoiles en choquant et en compressant des nuages de gaz. Les chercheurs ont donc été surpris de constater que le système à double noyau est dominé par des étoiles relativement anciennes et ne semble pas produire beaucoup de jeunes étoiles.
"Si nous avons raison sur le scénario de la fusion, alors cette fusion se produit entre deux galaxies qui avaient déjà formé la plupart de leurs étoiles des milliards d'années auparavant et n'avaient pas beaucoup de gaz pour fabriquer de nouvelles étoiles", a déclaré Melbourne.
Si une étude supplémentaire montre que de tels objets sont communs plus loin dans le temps, ces observations pourraient aider à expliquer l'une des énigmes de la formation des galaxies. Selon la théorie dominante de la formation des galaxies hiérarchiques, les grandes galaxies se sont construites sur des milliards d'années par le biais de fusions entre des galaxies plus petites. Étant donné que les fusions déclenchent la formation d'étoiles, il a été difficile d'expliquer l'existence de très grandes galaxies dépourvues de populations importantes de jeunes étoiles.
«Une idée est que vous pouvez avoir une soi-disant fusion sèche, où deux galaxies remplies d'anciennes étoiles mais peu de gaz fusionnent sans former de nombreuses nouvelles étoiles. Ce que nous voyons dans cet objet est compatible avec une fusion sèche », a déclaré Melbourne. "Même dans une fusion sèche, il peut toujours y avoir suffisamment de gaz pour alimenter le trou noir, produisant des émissions de rayons X, mais pas assez pour produire une forte explosion de formation d'étoiles."
D'autres observations à des longueurs d'onde infrarouges moyens à lointains, attendues plus tard cette année à partir du télescope spatial Spitzer, pourraient aider à le confirmer. Les données de Spitzer fourniront une meilleure indication de la teneur en poussière de la galaxie, une variable cruciale dans l'interprétation de ces observations, a déclaré Melbourne.
Le système d'optique adaptative des étoiles guides laser a été financé par la Fondation W. Keck. Le système d'étoiles de guidage laser artificiel a été développé et intégré dans le cadre d'un partenariat entre le Lawrence Livermore National Laboratory et le W. Le laser a été intégré à Keck avec l'aide de Dee Pennington, Curtis Brown et Pam Danforth. La caméra infrarouge proche NIRC2 a été développée par le California Institute of Technology, UCLA et l'Observatoire Keck. L'Observatoire Keck est exploité en tant que partenariat scientifique entre CalTech, l'Université de Californie et la National Aeronautics and Space Administration.
Ce travail a été soutenu par le Center for Adaptive Optics, un centre scientifique et technologique de la National Science Foundation géré par UC Santa Cruz.
Source d'origine: communiqué de presse Keck
