ALMA explore le Champ Ultra Profond d’Hubble

Observations de l’Univers jeune les plus profondes jamais réalisées dans le domaine millimétrique

Jeudi, 22 septembre 2016

Une équipe internationale d’astronomes a utilisé le Vaste Réseau (Sub-)Millimétrique de l’Atacama (ALMA) pour explorer l’un des recoins de l’Univers révélé par le Champ Ultra Profond d’Hubble (HUDF). Ces nouvelles observations d’ALMA sont sensiblement plus profondes et mieux résolues que les sondages antérieurs effectués dans le domaine millimétrique. Elles mettent clairement en évidence l’existence d’une étroite relation entre le taux de formation stellaire dans les galaxies jeunes et leur masse stellaire totale. Elles révèlent par ailleurs l’abondance ainsi que la distribution spatiale du gaz à partir duquel naissent les étoiles, offrant ainsi un nouvel aperçu de cet “Age d’Or” de la formation galactique daté de quelque 10 milliards d’années.


Les nouveaux résultats d’observation d’ALMA feront l’objet d’une série d’articles à paraître au sein de l’Astrophysical Journal et des Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Ils seront par ailleurs dévoilés lors du colloque “Les Cinq Ans d’ALMA”, organisé cette semaine à Palm Springs, Californie, Etats-Unis.

En 2004 furent publiées les images du Champ Ultra Profond d’Hubble, pionnières des observations de champ profond avec le Télescope Spatial Hubble du consortium NASA/ESA. Ces images spectaculaires, plus profondes que jamais, révélèrent l’existence d’un grand nombre de galaxies datant de moins d’un milliard d’années après le Big Bang. Depuis lors, cette région du ciel a fait l’objet de multiples observations au moyen d’Hubble et de divers autres instruments, ce qui a permis de dresser la cartographie la plus profonde à ce jour de l’Univers.

Les astronomes viennent de sonder, au moyen d’ALMA, cette fenêtre en apparence banale mais abondamment étudiée, sur l’Univers lointain. Ils ont pour la première fois acquis des clichés tant profonds que finement résolus dans le domaine millimétrique [1], sur lesquels apparaissent la faible lueur des nuages de gaz ainsi que l’émission en provenance de la poussière chaude au sein des galaxies de l’Univers jeune.

A ce jour, ALMA a observé l’HUDF durant près de 50 heures. Il s’agit du plus long temps d’observation jamais consacré à une même région du ciel.

Une équipe menée par Jim Dunlop (Université d’Edimbourg, Royaume-Uni) a utilisé ALMA pour capturer la première image profonde et homogène d’une région aussi étendue que l’HUDF. Ces données lui ont permis d’assimiler à des galaxies des objets par ailleurs observés au moyen d’Hubble et d’autres télescopes.

Cette étude a clairement montré, pour la première fois, que la masse stellaire d’une galaxie constitue le meilleur indicateur du taux de formation stellaire dans l’Univers lointain, à grand redshift. Leurs observations ont permis de détecter la plupart des galaxies de masse élevée [2] – rien d’autre ou presque.

Jim Dunlop, l’auteur principal de l’article dédié à l’imagerie profonde, résume son caractère essentiel : “Ce résultat constitue une véritable avancée. Pour la première fois, nous sommes en mesure d’établir une véritable connexion entre l’image de l’Univers profond acquise par Hubble dans les domaines visible et ultraviolet, et divers clichés de l’Univers pris par ALMA dans les domaines de l’infrarouge lointain et millimétrique.”

La seconde équipe, emmenée par Manuel Aravena du Cercle d’Astronomie de l’Université Diego Portales, Santiago, Chili, et Fabian Walter de l’Institut Max Planck dédié à l’Astronomie, Heidelberg, Allemagne, a sondé les profondeurs d’une région céleste équivalant au quart de la superficie totale de l’HUDF [3].

”Nous avons supervisé la première recherche à l’aveugle et en trois dimensions de gaz froid dans l’Univers jeune”, précise Chris Carilli, astronome à l’Observatoire National de Radioastronomie (NRAO) de Socorro, Nouveau Mexique, Etats-Unis, et membre de l’équipe. “Nous avons ainsi mis en évidence l’existence d’une population de galaxies qui n’apparaît pas clairement sur les autres sondages profonds du ciel.” [4]

Certaines des nouvelles observations d’ALMA étaient spécifiquement dédiées à la recherche de galaxies riches en monoxyde de carbone – caractérisées donc par des taux de formation stellaire élevés. Ces réservoirs de gaz moléculaire, à l’origine de la formation d’étoiles au sein des galaxies, sont particulièrement difficiles à détecter au moyen d’Hubble. ALMA en revanche est capable de révéler cette “face cachée” de la formation et des processus d’évolution galactiques.

“Les nouveaux résultats d’ALMA révèlent une augmentation rapide du contenu en gaz des galaxies à mesure que l’on remonte dans le temps”, précise Manual Aravena (Cercle d’Astronomie de l’Université Diego Portales, Santiago, Chili), principal auteur de deux des articles. “Cette augmentation du contenu en gaz constitue vraisemblablement la raison principale de la hausse remarquable des taux de formation stellaire durant l’âge d’or de la formation galactique, daté de 10 milliards d’années”.

Les résultats présentés ce jour augurent d’une série d’observations à venir, dédiées au sondage de l’Univers lointain avec ALMA. A titre d’exemple, une campagne d’observation de l’HUDF d’une durée de 150 heures renseignera sur les grandes étapes de la formation stellaire au sein de l’Univers.

“En complétant notre connaissance actuelle de l’abondance et de la distribution spatiale de ce matériau manquant à l’origine de la formation stellaire, le Vaste Programme d’ALMA affinera notre vision des galaxies au sein de l’emblématique Champ Ultra Profond d’Hubble”, conclut Fabian Walter.

Notes

[1] Les astronomes ont choisi l’étendue de la zone de l’HUDF à étudier, une région de l’espace située dans la constellation peu brillante du Fourneau, de sorte que les télescopes au sol de l’hémisphère sud, tel ALMA, puissent sonder cette région, et nous renseigner sur l’Univers très lointain.

Sonder l’Univers profond, mais invisible à l’œil nu, constituait l’un des premiers objectifs scientifiques d’ALMA.

[2] Dans ce contexte, l’expression “masse élevée” désigne des galaxies dont les masses stellaires sont supérieures à 20 milliards de masses solaires. A titre de comparaison, la Voie Lactée est une galaxie étendue dont la masse avoisine les 100 milliards de masses solaires.

[3] Cette région du ciel est approximativement sept cents fois plus petite que la surface du disque de la pleine Lune vu depuis la Terre. Le nombre élevé de galaxies contenues dans une si petite fraction de ciel constitue l’un des aspects les plus étonnants de l’HUDF.

[4] La capacité d’ALMA à observer une portion du spectre électromagnétique si différente de celle captée par Hubble permet aux astronomes d’étudier une autre classe d’objets astronomiques, tels les nuages massifs de formation stellaire ou les objets émettant un rayonnement plus intense dans le domaine millimétrique que dans le domaine visible.

Cette recherche a été qualifiée d’aveugle parce qu’elle n’était focalisée sur aucun objet particulier.

Les nouvelles observations de l’HUDF menées avec ALMA ont donné lieu à deux types de données distincts mais complémentaires : des observations en continu ont mis en évidence l’émission par les poussières ainsi que la formation stellaire, et un sondage dans une raie d’émission spectrale a révélé la distribution spatiale du gaz moléculaire froid à l’origine de la formation stellaire. Le second sondage présente un intérêt tout particulier : il montre les effets de l’expansion de l’Univers sur le décalage spectral de la lumière en provenance des objets lointains. Un redshift plus élevé caractérise les objets les plus lointains et les plus précoces. S’ensuit la constitution, par les astronomes, de cartes en trois dimensions du gaz alimentant la formation d’étoiles, qui retracent son évolution au fil du temps cosmique.

Plus d'informations

Ce travail de recherche à fait l’objet d’articles intitulés :

  1. “A deep ALMA image of the Hubble Ultra Deep Field”, par J. Dunlop et al., à paraître au sein de la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
  2. “The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Search for the [CII] Line and Dust Emission in 6 < z < 8 Galaxies”, par M. Aravena et al., à paraître au sein de la revue Astrophysical Journal.
  3. “The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Molecular Gas Reservoirs in High-Redshift Galaxies”, par R. Decarli et al., à paraître au sein de la revue Astrophysical Journal.
  4. “The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: CO Luminosity Functions and the Evolution of the Cosmic Density of Molecular Gas”, par R. Decarli et al., à paraître au sein de la revue Astrophysical Journal.
  5. “The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Continuum Number Counts, Resolved 1.2-mm Extragalactic Background, and Properties of the Faintest Dusty Star Forming Galaxies”, par M. Aravena et al., à paraître au sein de la revue Astrophysical Journal.
  6. “The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Survey Description”, par F. Walter et al., à paraître au sein de la revue Astrophysical Journal.
  7. “The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: the Infrared excess of UV-selected z= 2-10 Galaxies as a Function of UV-continuum Slope and Stellar Mass”, par R. Bouwens et al., à paraître au sein de la revue Astrophysical Journal.
  8. “The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Implication for spectral line intensity mapping at millimeter wavelengths and CMB spectral distortions”, par C. L. Carilli et al. à paraître au sein de la revue Astrophysical Journal.

Les équipes sont composées de :

M. Aravena (Núcleo de Astronomía, Universidad Diego Portales, Santiago, Chili), R. Decarli (Max-Planck Institut für Astronomie, Heidelberg, Allemagne), F. Walter (Max-Planck Institut für Astronomie, Heidelberg, Allemagne; Astronomy Department, California Institute of Technology, Etats-Unis; NRAO), Pete V. Domenici (Array Science Center, Etats-Unis), R. Bouwens (Leiden Observatory, Leiden, Pays-Bas; UCO/Lick Observatory, Santa Cruz, Etats-Unis), P.A. Oesch (Astronomy Department, Yale University, New Haven, Etats-Unis), C.L. Carilli (Leiden Observatory, Leiden, Pays-Bas; Astrophysics Group, Cavendish Laboratory, Cambridge, Royaume-Uni), F.E. Bauer (Instituto de Astrofísica, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chili; Millennium Institute of Astrophysics, Chili; Space Science Institute, Boulder, Etats-Unis), E. Da Cunha (Research School of Astronomy and Astrophysics, Australian National University, Canberra, Australie; Centre for Astrophysics and Supercomputing, Swinburne University of Technology, Hawthorn, Australie), E. Daddi (Laboratoire AIM, CEA/DSM-CNRS-Université Paris Diderot, Orme des Merisiers, France), J. Gónzalez-López (Instituto de Astrofísica, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chili), R.J. Ivison (European Southern Observatory, Garching bei München, Allemagne; Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Edinburgh, Royaume-Uni), D.A. Riechers (Cornell University, 220 Space Sciences Building, Ithaca, Etats-Unis), I. Smail (Institute for Computational Cosmology, Durham University, Durham, Royaume-Uni), A.M. Swinbank (Institute for Computational Cosmology, Durham University, Durham, Royaume-Uni), A. Weiss (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Allemagne), T. Anguita (Departamento de Ciencias Físicas, Universidad Andrés Bello, Santiago, Chili; Millennium Institute of Astrophysics, Chili), R. Bacon (Université Lyon 1, Saint Genis Laval, France), E. Bell (Department of Astronomy, University of Michigan, Etats-Unis), F. Bertoldi (Argelander Institute for Astronomy, University of Bonn, Bonn, Allemagne), P. Cortes (Joint ALMA Observatory - ESO, Santiago, Chilii; NRAO, Pete V. Domenici Array Science Center, Etats-Unis), P. Cox (Joint ALMA Observatory - ESO, Santiago, Chili), J. Hodge (Leiden Observatory, Leiden, Pays-Bas), E. Ibar (Instituto de Física y Astronomía, Universidad de Valparaíso, Valparaiso, Chili), H. Inami (Université Lyon 1, Saint Genis Laval, France), L. Infante (Instituto de Astrofísica, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chili), A. Karim (Argelander Institute for Astronomy, University of Bonn, Bonn, Allemagne), B. Magnelli (Argelander Institute for Astronomy, University of Bonn, Bonn, Allemagne), K. Ota (Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge, Cambridge, Royaume-Uni; Cavendish Laboratory, University of Cambridge, Royaume-Uni), G. Popping (European Southern Observatory, Garching bei München, Allemagne), P. van der Werf (Leiden Observatory, Leiden, Pays-Bas), J. Wagg (SKA Organization, Cheshire, Royaume-Uni), Y. Fudamoto (European Southern Observatory, Garching bei München, Allemagne; Universität-Sternwarte München, München, Allemagne), D. Elbaz (Laboratoire AIM, CEA/DSM-CNRS-Universite Paris Diderot, France), S. Chapman (Dalhousie University, Halifax, Nova Scotia, Canada), L.Colina (ASTRO-UAM, UAM, Unidad Asociada CSIC, Espagne), H.W. Rix (Max-Planck Institut für Astronomie, Heidelberg, Allemagne), Mark Sargent (Astronomy Centre, University of Sussex, Brighton, Royaume-Uni), Arjen van der Wel (Max-Planck Institut für Astronomie, Heidelberg, Allemagne)

K. Sheth (NASA Headquarters, Washington DC, Etats-Unis), Roberto Neri (IRAM, Saint-Martin d’Hères, France), O. Le Fèvre (Aix Marseille Université, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Marseille, France), M. Dickinson (Steward Observatory, University of Arizona, Etats-Unis), R. Assef (Núcleo de Astronomía, Universidad Diego Portales, Santiago, Chili), I. Labbé (Leiden Observatory, Leiden University, Pays-Bas), S. Wilkins (Astronomy Centre, University of Sussex, Brighton, Royaume-Uni), J.S. Dunlop (University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, Royaume-Uni), R.J. McLure (University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, Royaume-Uni), A.D. Biggs (ESO, Garching, Allemagne), J.E. Geach (University of Hertfordshire, Hatfield, Royaume-Uni), M.J. Michałowski (University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, Royaume-Uni), W. Rujopakarn (Chulalongkorn University, Bangkok, Thailande), E. van Kampen (ESO, Garching, Allemagne), A. Kirkpatrick (University of Massachusetts, Amherst, Massachusetts, Etats-Unis), A. Pope (University of Massachusetts, Amherst, Massachusetts, Etats-Unis), D. Scott (University of British Columbia, Vancouver, British Columbia, Canada), T.A. Targett (Sonoma State University, Rohnert Park, California, Etats-Unis), I. Aretxaga (Instituto Nacional de Astrofísica, Optica y Electronica, Mexique), J.E. Austermann (NIST Quantum Devices Group, Boulder, Colorado, Etas-Unis), P.N. Best (University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, Royaume-Uni), V.A. Bruce (University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, Royaume-Uni), E.L. Chapin (Herzberg Astronomy and Astrophysics, National Research Council Canada, Victoria, Canada), S. Charlot (Sorbonne Universités, UPMC-CNRS, UMR7095, Institut d’Astrophysique de Paris, Paris, France), M. Cirasuolo (ESO, Garching, Allemagne), K.E.K. Coppin (University of Hertfordshire, College Lane, Hatfield, Royaume-Uni), R.S. Ellis (ESO, Garching, Allemagne), S.L. Finkelstein (The University of Texas at Austin, Austin, Texas, Etats-Unis), C.C. Hayward (California Institute of Technology, Pasadena, California, Etats-Unis), D.H. Hughes (Instituto Nacional de Astrofísica, Optica y Electronica, Mexique), S. Khochfar (University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, Royaume-Uni), M.P. Koprowski (University of Hertfordshire, College Lane, Hatfield, Royaume-Uni), D. Narayanan (Haverford College, Haverford, Pennsylvania, Etats-Unis), C. Papovich (Texas A & M University, College Station, Texas, Etats-Unis), J.A. Peacock (University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, Royaume-Uni), B. Robertson (University of California, Santa Cruz, Santa Cruz, California, Etats-Unis), T. Vernstrom (Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics, University of Toronto, Toronto, Ontario, Canada), G.W. Wilson (University of Massachusetts, Amherst, Massachusetts, Etats-Unis) and M. Yun (University of Massachusetts, Amherst, Massachusetts, Etats-Unis).

Le Vaste Réseau (Sub-)Millimétrique de l'Atacama (ALMA), une by Plus-HD-5.7c">installation astronomique internationale, est le fruit d'un partenariat entre l'ESO, la U.S. National Science Foundation (NSF) et le National Institutes of Natural Sciences (NINS) du Japon en coopération avec le Chili. ALMA est financé par l'Observatoire Européen Austral (ESO) pour le by Plus-HD-5.7c">compte de ces Etats membres, la NSF en coopération avec le National Research Council du Canada (NRC), le National Science Council of Tawain (NSC) et le NINS en coopération avec l’Academia Sinica (AS) in Taiwan et le Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).

La construction et la gestion d'ALMA sont supervisées par l'ESO pour le compte de ses Etats membres, par le National Radio Astronomy Observatory (NRAO), dirigé par Associated Universities, Inc (AUI) en Amérique du Nord, et par le National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) pour l'Asie de l'Est. L’Observatoire commun ALMA (JAO pour Joint ALMA Observatory) apporte un leadership et un management unifiés pour la construction, la mise en service et l’exploitation d’ALMA.

L'ESO est la première organisation intergouvernementale pour l'astronomie en Europe et l'observatoire astronomique le plus productif au monde. L'ESO est soutenu par 15 pays : l'Allemagne, l'Autriche, la Belgique, le Brésil, le Danemark, l'Espagne, la Finlande, la France, l'Italie, les Pays-Bas, le Portugal, la République Tchèque, le Royaume-Uni, la Suède et la Suisse. L'ESO conduit d'ambitieux programmes pour la conception, la construction et la gestion de puissants équipements pour l'astronomie au sol qui permettent aux astronomes de faire d'importantes découvertes scientifiques. L'ESO joue également un rôle de leader dans la promotion et l'organisation de la coopération dans le domaine de la recherche en astronomie. L'ESO gère trois sites d'observation uniques, de classe internationale, au Chili : La Silla, Paranal et Chajnantor. À Paranal, l'ESO exploite le VLT « Very Large Telescope », l'observatoire astronomique observant dans le visible le plus avancé au monde et deux télescopes dédiés aux grands sondages. VISTA fonctionne dans l'infrarouge. C'est le plus grand télescope pour les grands sondages. Et, le VLT Survey Telescope (VST) est le plus grand télescope conçu exclusivement pour sonder le ciel dans la lumière visible. L'ESO est le partenaire européen d'ALMA, un télescope astronomique révolutionnaire. ALMA est le plus grand projet astronomique en cours de réalisation. L'ESO est actuellement en train de programmer la réalisation d'un télescope européen géant (E-ELT pour European Extremely Large Telescope) de la classe des 39 mètres qui observera dans le visible et le proche infrarouge. L'E-ELT sera « l'œil le plus grand au monde tourné vers le ciel.

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