Découverte : Le VLT observe la trame cosmique de l’Univers jeune

L'un des filaments d'hydrogène découverts par MUSE dans le champ ultra-profond de Hubble. Crédit : Roland Bacon / David Mary / ESO / NASA
C’est une première ! Grâce à son instrument MUSE, le Very Large Telescope est parvenu à observer les vastes filaments de matière qui formaient l’ossature de l’Univers il y a plus de 11 milliards d’années. Ils révèlent l’existence d’une population de galaxies inconnue...

« Nous avions des indices de leur existence, mais nous n’avions encore jamais vu de filaments cosmiques dans l’univers jeune. Les observer était l’un des grands objectifs de MUSE. » Mission accomplie pour Roland Bacon et son équipe. Grâce à l’instrument de leur conception, installé depuis 2014 sur le Very Large Telescope au Chili, l’astrophysicien du Centre de recherche astrophysique de Lyon et ses collègues ont réalisé la toute première image d’un bout de la superstructure de l’Univers, telle qu’elle était il y a plus de 11 milliards d’années.

« Une prouesse », commente son confrère David Elbaz au CEA, qui aura nécessité 140 heures d’observation avec un télescope de 8 m de diamètre ! Et qui révèle, selon l’équipe de Roland Bacon, des myriades de petites galaxies dans la région même où le télescope spatial Hubble, il y a près de vingt ans, avait réalisé son iconique Ultra Deep Field.

L’Univers tisse sa toile

Voilà des années que les simulations d’évolution de l’Univers prédisent que la matière a dû très tôt s’organiser en une vaste toile cosmique. On le constate aujourd’hui, les galaxies et les amas de galaxies ne sont pas répartis uniformément dans l’espace. Ils forment ensemble des filaments, des parois, des bulles… Bref, une structure en mie de pain qui n’a que peu à voir avec la remarquable homogénéité de la pâte cosmique au moment du big bang. Les cosmologistes l’expliquent par les actions contraires de l’expansion de l’Univers, qui dilue la matière, et de l’attraction gravitationnelle, qui tend à la rassembler.

Comme le montre cette simulation de 15 millions d'années-lumière de côté, la matière se structure en filaments d'hydrogène. Galaxies et amas de galaxies se forment dans leurs zones les plus denses. © Jeremy Blaizot / projet SPHINX

« Sans la toile cosmique, les galaxies se seraient rapidement éteintes », ajoute David Elbaz. L’astrophysicien explique que les filaments sont en fait des rivières, qui coulent dans les galaxies et les alimentent en gaz frais pour créer de nouvelles étoiles. « On peut montrer que sans eux, la formation stellaire s’arrêterait en quelques centaines de millions d’années », précise le chercheur.

Côté observation enfin, il existait plusieurs indices de l’existence de ces filaments avant même le résultat de MUSE. Par exemple dans l’éclat des quasars – ces phares galactiques si puissant qu’on peut les voir au fin fond de l’Univers –, on voit souvent l’empreinte de gaz diffus qui s’intercale. Nos fameux filaments ?

Probablement, à ceci près qu’avec les quasars il y a toujours « une ambiguïté » relève David Elbaz : « L’absorption observée dans leur ligne de visée peut autant être due à un filament intergalactique qu’à du gaz circumgalactique, autour d’une galaxie que l’on ne verrait pas et qui serait alignée fortuitement. » Autre écueil : « Un quasar, c’est un point sur le ciel ! » prévient Roland Bacon. Même en observant un million de spécimens sur toute la voûte céleste, impossible de s’en servir pour retracer la silhouette de longs filaments...

L’éclat de l’hydrogène

« Jusqu’à présent, nous cherchions la trace de la toile cosmique là où il y a de la lumière » résume David Elbaz. « Grâce au travail de l’équipe de MUSE, nous pouvons directement observer les filaments, donc mesurer leur longueur, leur épaisseur, leur forme. C’est beaucoup plus fiable ! » s’enthousiasme le chercheur. C’est aussi beaucoup plus difficile, car la lumière qu’ils émettent est extrêmement faible.

« Nous observons le rayonnement de lhydrogène ionisé, à une fréquence particulière qui est celle de la raie Lyman alpha [notée Lyα, NDLR] », explique Roland Bacon. Ce rayonnement trahit la présence de matière, l’hydrogène, mais aussi d’une source de rayonnement ultraviolet pour le ioniser. Donc soit des étoiles jeunes et chaudes à proximité ; soit, plus insaisissable, celle d’un fond diffus de rayonnement ultraviolet, qui serait constitué de la somme des rayonnements de toutes les étoiles chaudes de l’Univers et dans lequel nous baignerions.

Autrement dit, le rayonnement Lyα permet de découvrir l’architecture cachée de la cathédrale cosmique, mais aussi ce qui l’éclaire. En l’occurrence, dans le MUSE Extremely Deep Field (MXDF), l’équipe de Roland Bacon a découvert 1258 émetteurs Lyman Alpha entre les redshifts 2,9 et 6,7, puis surtout une émission diffuse entre les redshifts 3,1 et 4,5, qui trace des filaments cosmiques de plusieurs millions d’années-lumière de long tels qu’ils étaient 1 à 2 milliards d’années après le big bang.

2250 galaxies observées par MUSE sont représentées dans ce cône d’Univers, en fonction de son âge (en milliards d’années). La période explorée dans cette étude est représentée en rouge. Des filaments ont été clairement identifiés dans cinq régions. © Roland Bacon/David Mary

« Sans MUSE, nous n’aurions pas pu réaliser une observation aussi difficile », reprend Roland Bacon. Il aurait été impossible d’obtenir 140 heures sur l’instrument le plus demandé du VLT ! « Nous avons utilisé du temps d’observation obtenu en échange de notre investissement dans sa construction », explique l’astrophysicien.

Il fallait aussi connaître MUSE sur le bout des doigts pour tenter le pari. « En 2014, nous avions déjà fait un champ profond, d’une trentaine d’heures, et nous avions pu montrer que les galaxies étaient entourées d’un halo d’émission Lyman Alpha. C’était encourageant. Cela nous avait aussi donné l’occasion de développer les logiciels adéquats pour traiter nos données. À un moment, nous nous sommes dit qu’il était temps de faire la manip ultime, une observation très longue pour essayer de révéler les filaments. »

Aucun autre instrument que MUSE n’aurait pu être utilisé. Ce spectrographe à champ intégral, couplé à un système d’optique adaptative pour corriger la turbulence de l’atmosphère, est le seul à pouvoir analyser un coin de la voûte céleste en aveugle (sans cible prédéterminée)...

Une nouvelle population de galaxies

Mais MUSE a-t-il vraiment vu le gaz de la toile cosmique, ou bien autre chose ? « Autre chose ! » répond en substance Roland Bacon. « Le plus important dans notre étude, c’est la découverte que la lumière diffuse que nous observons dans les filaments est en réalité dû à une myriades de toutes petites galaxies, qu’on n’avait jamais détectées jusqu’ici. »

L’astrophysicien assure que leur découverte est une surprise. « Nous pensions que le rayonnement Lyα des filaments venait de l’hydrogène, éclairé par le fond diffus ultraviolet. » Mais tous calculs faits, ce mécanisme ne peut rendre compte que d’un tiers de la lumière émise il y a 11 milliards d’années. Et même de seulement 10 % lorsqu’on remonte plus loin dans le temps !

Alors ? Alors il y a bien une autre façon d’émettre du rayonnement Lyman Alpha : sous l’effet de sa contraction gravitationnelle, qui provoque son échauffement, le gaz d’hydrogène peut briller spontanément dans cette longueur d’onde. Sauf que cela ne fonctionne bien que dans les zones les plus denses du milieu intergalactique. Or, nous ne sommes pas dans ces régions là...

Simulation d’un filament cosmique qui serait composé de centaines de milliers de petites galaxies (à gauche), tel qu'il serait vu par MUSE (à droite). © Thibault Garel / Roland Bacon

« On a vraiment testé toutes les façons de produire le rayonnement que l’on observe. L’hypothèse qu’il provient de petites galaxies est la meilleure. On ne les distingue pas, un peu comme les étoiles de la Voie lactée, mais elles créent bel et bien une émission diffuse détectable », conclut Roland Bacon. Dans ce cas, ce n’est pas l’hydrogène intergalactique des filaments que l’on verrait briller, lui-même illuminé par le fond diffus ultraviolet, mais le gaz de nuées de petites galaxies, éclairé par leurs jeunes étoiles.

Les chiffres indiquent que ces galaxies doivent vraiment être très petites. Elles ne peuvent pas peser plus que quelques milliers de masses solaires – contre 200 milliards au bas mot pour la Voie lactée ! S’agit-il de galaxies naissantes, ou simplement d’amas d’étoiles ? Impossible de trancher pour le moment.

Un défi pour l’ELT, le JWST et BlueMUSE

Pour aller plus loin, idéalement, il faudrait vérifier l’existence de la toile cosmique dans une autre région de l’Univers jeune, comparer ce qui a été vu par MUSE à une simulation numérique de formation des filaments, et bien sûr observer directement l’une de ces minuscules galaxies du bout du monde. Trois pistes difficiles.

D’abord, aucun instrument aujourd’hui ne semble en mesure de pouvoir refaire ce qu’a fait MUSE. Et le bijou du VLT ne sera pas mobilisé à nouveau sur une si longue durée. Ensuite, « les simulations de la toile cosmique ne sont pas encore assez précises pour reproduire la formation de galaxies aussi petites que les nôtres », explique Roland Bacon. Loin s’en faut : il faudrait qu’elles puissent manipuler des objets de masse 1000 à 10000 fois plus faible qu’aujourd’hui. Mais nul doute que les modélisateurs vont y travailler.

Enfin, quel télescope serait capable de voir ce que le VLT n’a pas pu distinguer en 140 heures d’observation ? Aujourd’hui, aucun. Mais demain peut-être, l’Extremely Large Telescope et ses 39 m de diamètre y parviendront. En tout cas, il sera sensible à des luminosités plus faibles et pourra découvrir des galaxies encore plus discrètes, si elles existent.

Le James Webb Space Telescope, futur télescope spatial de 6,5 m de diamètre, ne pourra pas distinguer individuellement ces galaxies, mais il pourra à coup sûr en découvrir d’autres. Certaines plus loin dans le temps et peut-être, si elles existent, d’autres moins actives. Le recensement des galaxies dans l’Univers jeune et la découverte des toutes premières d’entre elles est en tout cas l’un de ses objectifs scientifiques majeurs.

« Pour étudier de nouveaux filaments, nous compterons aussi sur l’instrument BlueMuse », reprend Roland Bacon. Porté par la même équipe, ce successeur de MUSE sera installé sur le VLT en 2026. « Il observera sur un champ plus grand, à une longueur d’onde plus courte qui nous permettra de sonder une période de l’univers un peu plus proche de nous », explique le chercheur. Notamment celle, il y a 10 milliards d’années, pendant laquelle il a connu son pic de formation d’étoiles... Sur ces futures images, illuminés par l’intense rayonnement ultraviolet d’innombrables jeunes étoiles, les filaments de la toile cosmique brilleront sans doute de mille feux !

Vue complète d'un filament d'hydrogène observé par MUSE dans le champ ultra-profond de Hubble. © Roland Bacon/David Mary/ESO/Nasa

 

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