g475 r625 i775 850 (L. BRADLEY et al., The Astrophysical Journal, 678, p.647-654, 2008) Figure 3. Probablement l'objet le plus éloigné connu, les scientifiques pensent que cette galaxie à discontinuité de Lyman se trouve à un redshift d’environ 7,6. Découverte dans le champ de l’amas de galaxies Abell 1689, sa luminosité est amplifiée par l’effet de lentille gravitationnelle dû à l’amas. Les images en couleurs multiples montrent que cette galaxie est uniquement détectée à des longueurs d’onde supérieures à 1,1 μm et est invisible à des longueurs d’onde inférieures. g,r, i et z sont quatre filtres dans le domaine du visible allant du bleu au rouge, proche de l'infrarouge. Quant aux filtres J et H, ils ne laissent passer que la lumière infrarouge. « Det » correspond à une image combinant plusieurs couleurs. Il faut la compléter par des études spectroscopiques afin de déterminer leur distance sans ambiguïté. Relativement aisé pour des galaxies de décalage spectral proche de 3, le processus devient très long et souvent irréalisable au-delà de z = 6. Il devient également de plus en plus difficile d’étudier les propriétés de ces galaxies très éloignées. Certains scientifiques ont déclaré avoir découvert des galaxies jusqu’à z = 7,5, ce qui semble tout à fait plausible, même s’il n’est pas encore possible de le confirmer par la spectroscopie (figure 3). Des revendications encore plus audacieuses font état de galaxies présentant des décalages spectraux de 10 voire de 12, mais ces découvertes restent controversées. Une ionisation mystérieuse S’il est fascinant de rechercher les galaxies les plus éloignées, les astronomes ne sont pas mus par le seul désir de repousser les limites de l’Univers connu. Il s’agit aussi de répondre à certaines questions scientifiques fondamentales. Par exemple, l’observation du fond diffus cosmologique a révélé que l’hydrogène de l’Univers a été ré-ionisé à une époque correspondant à un décalage spectral d’environ 11. Autrement dit, l’hydrogène était essentiellement neutre de z = 1000 à z = 11, puis principalement ionisé de z = 11 à aujourd’hui (z = 0). Pour ioniser la plupart des atomes, il est nécessaire de leur apporter de l’énergie et d'arracher leurs électrons. Cette énergie est supposée être fournie par le rayonnement ultraviolet émis par les premiers objets formés. Des photons ayant des longueurs d’onde inférieures à 912 Å sont indispensables au processus. Reste à trouver les sources du rayonnement ultraviolet. De tels photons pourraient provenir d’étoiles en formation ou de l’accrétion de matière sur les premiers trous noirs supermassifs. Pour corroborer ces idées, il faudrait démontrer qu’il y a suffisamment de sources à un décalage spectral très élevé pour ré-ioniser l’Univers. Or les astronomes sont encore bien loin de cet objectif. Même à des redshifts plus faibles, aux environs de 6, il n'a pas été détecté suffisamment de galaxies. Des recherches intensives s’efforcent aujourd’hui de résoudre cette énigme. Les théories les plus courantes suggèrent qu’il existe d’innombrables petites galaxies, non encore découvertes, produisant la quantité de rayonnement ultraviolet requis. Étoiles et poussière La recherche en matière de galaxies distantes tente actuellement d’éclaircir un autre mystère, tout aussi fascinant : celui des étoiles de population III. Historiquement, les astronomes ont regroupé les étoiles riches en métal des bras spiraux de la Voie lactée « Det » z J110 160 H 3,6m 4,5m 5,8m 8,0m dans la population I, et les étoiles plus anciennes et plus pauvres en métal, situées dans le bulbe galactique, dans la population II (voir La vie des galaxies actives, p.44). Cependant, selon certaines théories, lorsque de la matière gazeuse fut convertie en étoiles pour la première fois, des types très différents d'étoiles ont été créés. En l’absence de métaux (éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium), il ne pouvait se former que des étoiles très massives : plusieurs centaines de fois la masse du Soleil. Le spectre de tels objets comporterait nécessairement des raies d’émission très intenses de l'hélium. Or, malgré des efforts continus, rien de semblable n’a été observé à ce jour. La fabrication et la dissémination d’éléments lourds ont donc probablement eu lieu très tôt dans l’histoire de l’Univers. La découverte d’étoiles de population III demeure cependant un objectif important. Elle permettrait de comprendre et étudier l’Univers à un moment où la majeure partie du gaz était à son état originel, juste après la formation des premiers éléments chimiques (hydrogène et hélium) par le big bang. Les astrophysiciens attendent beaucoup du lancement du télescope spatial James Webb, au cours de la prochaine décennie (voir JWST : regard sur un passé de treize milliards d'années, p.102). Ils espèrent trouver alors quelles sortes d’objets ont ré-ionisé l’Univers, et démontrer l’existence des étoiles de population III. Enfin, la plupart des techniques de détection utilisées à ce jour, basées sur le rayonnement ultraviolet, ne peuvent s’appliquer qu’à des objets dont l’émission ne traverse pas de la poussière cosmique, laquelle absorbe ce type de photons. Très récemment, des astrophysiciens du CEA ont identifié des galaxies géantes produisant des étoiles à des valeurs de z très élevées, parfois supérieures à 4, grâce à la détection du continuum émis par la poussière. Beaucoup d’objets de ce type pourraient exister, même s’ils présentent des taux de formation d’étoiles plus faibles que les galaxies extrêmes découvertes à ce jour. Le télescope spatial Herschel, lancé en mai 2009, (voir Voyage dans les lumières de l'Univers, p.90) et ultérieurement la mise en service du radio télescope géant ALMA (Atacama Large Millimeter Array) au Chili ouvriront de nouvelles perspectives de recherche pour identifier et étudier des premières galaxies obscurcies par la poussière. > Emanuele Daddi Service d'astrophysique (SAp) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) Direction des sciences de la matière (DSM) Unité mixte de recherche astrophysique interactions multi-échelles (CEA-Université Paris 7-CNRS) CEA Centre de Saclay (Orme des Merisiers) CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 55