dole saf galaxies IR mai 2006

mise à jour le 18 Mai 2006

CONFÉRENCE SUR
"LA NUIT N'EST PAS NOIRE,
L'ÉVOLUTION DES GALAXIES RÉVÉLÉE PAR SPITZER"

Par Hervé DOLE, Maître de conférences Paris Sud Orsay; IAS Orsay

Organisée par la SAF

À l'Institut Océanographique rue St Jacques, Paris

Le Mercredi 17 Mai 2006 à 20H30

Photos d'ambiance : JPM. (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)

BREF COMPTE RENDU

Le titre de la conférence de ce soir est assez énigmatique, Hervé Dole, jeune maître de conférences à Paris Sud et au célèbre IAS (Institut d'Astrophysique Spatiale) d'Orsay mais aussi baroudeur de l'Arizona, où il a été en poste en tant que chercheur associé à la non moins célèbre UA (University of Arizona) de Tucson.

Il est astrophysicien, spécialisé dans les galaxies et en particulier dans les galaxies Infra rouge. Inutile de dire qu'il a donc travaillé sur Spitzer notre avant poste infra rouge dans l'espace.

Il possède aussi sa page Internet que je vous conseille d'aller visiter.

Alors, pourquoi la nuit est elle noire, non ce n'est pas du paradoxe d'Olbers dont nous allons parler ici, mais plutôt de différents points de vue en fonction des différentes longueurs d'onde lumineuses (vous savez tous cela depuis que vous avez assisté à la conférence que j'ai donnée à la SAF sur les observatoires spatiaux dont le compte rendu est ICI et la version complète sur le site de la SAF sur le site de l'IAP (bon courage, il y a 300MB de données!).

La nuit est bien noire dans le domaine visible, mais elle est plutôt brillante en IR, en radio et en X, il suffit de s'en persuader en regardant les différentes vues de notre galaxie dans les différentes longueurs d'ondes comme sur l'animation de droite (merci à mon fils qui l'a faite et à la NASA qui a fourni les photos!).

On remarque que dans le visible le centre galactique est opaque, les poussières stellaires nous cachent la vue, mais dans l'IR ces poussières sont en fait "éclairées" par les étoiles environnantes et ré-émettent dans l'IR ce qui les rend lumineuses.

Pourquoi y a t il de telles différences, cela va être en partie le sujet de cette conférence; dont le plan est le suivant:

L'approche multi longueur d'ondes
La nuit n'est pas noire
Le fond diffus cosmologique
Le fond diffus Infra rouge
Observations des galaxies
Nouvelles découvertes sur le fond diffus IR
Avenir conclusions

L'APPROCHE MULTI LONGUEUR D'ONDE

Voici un exemple d'une galaxie vue dans différentes longueurs d'onde.

NGC 1512 dans tous ses états de l'UV à l'IR vue par Hubble

(Photo ESA/NASA)

Chaque type de longueur d'onde renseigne sur une caractéristique particulière de la galaxie.

Les UV nous renseignent sur les étoiles très jeunes et les IR sur les plus vieilles et froides.

Tout ceci menant à la vue composite de ces diverses vues. (photo ESA/NASA)

LA NUIT N'EST PAS NOIRE.

La poussière interstellaire absorbe les UV et le visible et émet dans l'IR, d'où l'intérêt d'étudier les galaxies en IR.

On voit sur cette diapo en noir, une simulation de galaxie ne contenant pas de poussières et en rouge une avec énormément de poussières. L'échelle horizontale est la longueur d'onde (de g àd de l'UV vers l'IR) et verticale échelle log de la puissance "lumineuse". Que remarque t on de fondamental? Si une galaxies exempte de poussières possède un spectre dans le visible, une (en rouge) avec beaucoup de poussières voit son spectre se décaler vers les IR très fortement.

Sur cette diapo c'est en fait un spectre typique de galaxie, où l'on voit dans la partie gauche le rayonnement dans le visible correspondant aux étoiles et sur la gauche la partie absorbée par la poussière et donc ré émise en infra rouge.

Quand on s'intéresse à tout le spectre de distribution de l'énergie de l'Univers on arrive à une courbe comme celle ci.

En ordonnée la puissance du signale en nW/m2/angle solide et en abscisse la gamme d'énergie (échelle log).

Ce graphique est très intéressant car en comparant les ordres de grandeur on remarque que la plupart de l'énergie de l'Univers se trouve en micro ondes (le CMB) et en IR., le reste étant de deux ordres de grandeur plus petit.

Alors intéressons nous à ces deux types d'ondes.

LE BRUIT DE FOND COSMOLOGIQUE (CMB).

Ou rayonnement diffus ou rayonnement de fond.

On ne reviendra pas sur la découverte fortuite par Penzias et Wilson en 1965 ce qui leur a valu le prix Nobel quelques années plus tard, c'est un rayonnement homogène de 2,725K qui rempli le ciel de tous côtés.

Son origine :

Il correspond à l'Univers primordial lorsque régnait un équilibre entre rayonnement et matière. C'est la fin de l'époque de la soupe de particules empêchant tout rayonnement de s'échapper, la température à baissé (il fait 3000K) l'Univers vieillit (il est quand même très jeun, il a 300.000ans, un bébé à l'échelle humaine) et soudainement les photons peuvent s'échapper et devenir "visible", ce rayonnement perd de l'énergie au cours du temps (effet Doppler, redshift) et il nous arrive maintenant à 2,7K, il baigne tout l'Univers dans le domaine des ondes radio.

Nous en avons parlé lors des résultats de WMAP dans cet astronews précédent.

On peut donc compléter notre distribution d'énergie de l'Univers maintenant comme ci contre.

La prochaine mission devant prendre le relais de WMAP est la mission européenne Planck, départ prévu 2008.

LE FOND EXTRAGALACTIQUE INFRA ROUGE OU FOND DIFFUS IR (CIB).

Il a été découvert en 1996 il ne provient pas du Big Bang, il correspond au rayonnement de toutes les générations de galaxies depuis le début des temps.

La majorité de la lumière des galaxies distantes nous arrive aujourd'hui dans le domaine de l'infrarouge, à des longueurs d'ondes supérieures à 5 microns.

Voici tiré d'un article de Hervé Dole, la courbe de distribution de puissance du fond extra galactique dans la gamme 0,1µ à 1mm.

La courbe violette représente le spectre tel qu'il a été mesuré de différentes façons : soit par les télescopes HESS, ou les instruments IRAC de Spitzer etc..

L'intensité du CIB est mesuré comme étant seulement 5% du CMB; mais est quand même supérieure au reste du rayonnement : le visible et l'X.

OBSERVATIONS DES GALAXIES.

L'intensité du fond diffus infrarouge est maximale dans l'infrarouge lointain.

On s'est aperçu qu'une grande partie de ce rayonnement IR diffus devrait provenir des sources IR intenses appelées ULIRG : Ultra Luminous Infra Red Galaxies, galaxies extra lumineuses en IR; mais quelle leur origine?

On pense que cette extrême luminosité est produite par la formation en grand nombre d'étoiles suite à des collisions de galaxies ou par les AGN (Galaxies à Noyaux Actifs).

Voici pris par Hervé Dole et son équipe des galaxies lointaines IR vues par Spitzer, le champ de vue est un carré de 5 arc minutes de côté.

Ici le trou de Lockman, une région qui est "assez" vide du ciel.

Ces recherches ont fait l'objet d'un communiqué de presse.

DERNIÈRES NOUVELLES SUR LE CIB.

(Basé sur le communiqué de presse du CNRS)

Des galaxies "cachées" responsables de 80% du fond de rayonnement diffus infrarouge remplissant le ciel viennent d'être identifiées, grâce à une nouvelle méthode indirecte d'analyse des données du satellite Spitzer de la NASA.

L'Univers baigne dans un rayonnement diffus composé de photons radios et infrarouges. Le rayonnement radio, appelé rayonnement fossile, est très intense et a été produit aux époques les plus anciennes de l'histoire de l'Univers. Le rayonnement infrarouge, ou fond diffus extragalactique, a quant à lui pour origine la lumière émise par les galaxies depuis leur formation.

Mais ce rayonnement diffus provient de galaxies dont la plupart restaient invisibles aux télescopes. La quête de ces galaxies "cachées" s'est donc engagée, dans l'espoir d'améliorer les connaissances sur les processus physiques aboutissant à la formation et à l'évolution des galaxies.

Des chercheurs de l'Institut d'Astrophysique Spatiale (CNRS - Université Paris Sud) et de l'Université d'Arizona (dont notre ami Hervé Dole) viennent d'obtenir, grâce au photomètre multibande MIPS du satellite Spitzer de la NASA, les images parmi les plus profondes jamais prises dans l'infrarouge, principalement aux longueurs d'ondes de 24 microns et dans l'infrarouge lointain, à 70 et 160 microns.

Grâce aux images à 24 microns, l'équipe a identifié près de 20 000 galaxies, dont certaines de flux apparents très faibles, et donc potentiellement très lointaines. En revanche, presque aucune galaxie n'était détectée sur les images dans l'infrarouge lointain. Or c'est dans ce domaine que les chercheurs pensaient trouver le rayonnement diffus infrarouge le plus intense.

Les chercheurs ont décidé d'empiler sur les ordinateurs de l'IAS les images de plusieurs centaines à plusieurs milliers de galaxies détectées à 24 microns, afin d'obtenir des sources lumineuses beaucoup plus intenses que le rayonnement individuel de chacune des galaxies. C'est la technique du "stacking". (qui est utilisée par les astronomes amateurs quand ils veulent obtenir une améliration du signal sur bruit, avec notamment des programmes comme IRIS)

L'équipe a répété cet empilement mais dans l'infrarouge lointain, où les galaxies sont invisibles individuellement. Les mêmes sources y ont été détectées, et constituent la signature recherchée dans l'infrarouge lointain des galaxies "cachées".

L'analyse précise des images finales a révélé que ces galaxies sont très puissantes.

En comptabilisant toute leur énergie, on a montré qu'elles sont responsables de 80% du fond diffus infrarouge. L'étude a aussi montré que la majorité de ces galaxies sont "à flambée de formation d'étoile" : contrairement à notre Voie Lactée qui forme peu d'étoiles en moyenne, ces galaxies forment, dans des épisodes violents, plusieurs dizaines de masses solaires d'étoiles par an. Il incombera aux prochains satellites astronomiques de trouver les galaxies qui composent les 20% restants, et qui seront peut-être les galaxies primordiales tant recherchées par les scientifiques.

Sur ce graphique on a représenté la répartition des divers fonds diffus : de droite à gauche (des plus grandes aux plus petites longueurs d'onde, ou des plus petites aux plus grandes énergies) : le bruit de fond cosmologique (CMB; le fond diffus IR (CIB) et le bruit de fond optique dans le visible (COB).

Le CMB a son origine au début de l'Univers, les CIB et le COB (appelés aussi bruit de fond extra galactique ou EBL : extra- galactic Background Light) sont dus à la lumière émise par toutes les galaxies.

Tous ces bruits de fond remplissent l'Univers entier.

Les nombres inscrits dans chaque bruit de fond correspondent à la luminosité de chacun. On remarquera que l'EBL représente 5% de la luminosité du CMB (47 sur 960); ce qui veut dire en terme imagé qu'il y a 115 photons IR pour un seul photon visible!!!

Pour terminer Hervé Dole nous passe une petite vidéo expliquant ces dernières techniques.

Là voici, on voit l'empilement en train de se produire et les résultats. On voit les images à différentes longueurs d'onde , chaque image est le résultat de l'empilement d'un nombre de galaxies qui apparaît dans le coin en haut à droite (approximativement 1800 galaxies) . On remarque l'augmentation du signal/bruit particulièrement à 70 et 160 microns. C'est dans ces zones IR que l'intensité est la plus forte.