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Explorer l'Univers et son contenu : grands programmes d'observation

Dossier - L'évolution des galaxies dans l'Univers
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Nos origines remontent aux premières étoiles dans les premières galaxies apparues après le Big Bang. Ce dossier décrit comment l'exploration des strates de temps dans l'Univers peut permettre de comprendre comment les galaxies se sont assemblées au cours de 13,7 milliards d'années d'évolution.

  
DossiersL'évolution des galaxies dans l'Univers
 

Est-ce vraiment suivant ce scénario théorique soutenu par ces simulations que les choses se sont réellement passées ? La seule réponse vient de la confrontation sans cesse raffinée entre les prédictions des modèles théoriques et les observations.

Messier 100. © Hubble Legacy Archive, NASA, ESA - Judy Schmidt, Wikimedia commons, DP

Les observables qui contraignent l'évolution des galaxies viennent aujourd'hui principalement de l'observation du fond diffus cosmologique, c'est-à-dire des fluctuations de densité présentes au tout début de la vie de l'Univers, et des grands sondages de galaxies dans notre environnement proche, montrant le résultat de l'évolution de ces fluctuations après plus de 13 milliards d'années. Que s'est-il passé entre les deux ? Les observations aujourd'hui sont très partielles.

Le ciel nous entourant vu par le sondage Sloan Digital Sky Survey : les positions dans l'Univers de plus de 200000 galaxies. © Domaine public

La cartographie de l'Univers est complète pour les galaxies plus brillantes que notre Voie Lactée jusqu'à environ 3 milliards d'années dans le passé, avec les positions de plus de 250000 galaxies mesurées. Quid des 10 milliards d'années restantes ? Les sondages de l'Univers sont l'outil majeur d'exploration, mais la sensibilité et l'efficacité des télescopes actuels ne permettent pas de mesurer les positions des milliards de galaxies dans l'Univers depuis la ré-ionisation. On a alors recours a des techniques de forage, on l'on explore des cônes d'Univers plus ou moins grands, en espérant qu'ils soient représentatifs. Dans chaque cône on sonde une continuité d'époques, depuis notre environnement immédiat, jusqu'à une époque définie par la profondeur, la luminosité des objets observés.

Ces galaxies sont observees avec un télescope de 2.5m. © Domaine public

Les astronomes ont en effet le grand privilège d'utiliser une machine a remonter le temps très performante, la vitesse de la lumière étant finie (~300000km/s), plus les objets sont loin, plus la lumière qu'ils émettent met du temps a nous parvenir, et donc plus nous les observons lorsqu'ils étaient plus jeunes. Ce carottage permet de déterminer et de comparer les propriétés des galaxies à différentes époques. Ce ne sont évidemment pas les mêmes galaxies, mais si l'on a bien construit un échantillon représentatif, sans introduire de biais d'observation, on peut directement comparer les propriétés moyennes des populations a différentes époques et déduire quelle a été leur évolution.

Un des premiers sondages réellement représentatifs a été le Canada France Redshift Survey, ou les distances de plus de 600 galaxies ont été mesurées jusqu'à une profondeur remontant plus de la moitié de l'âge de l'Univers, programme que j'ai eu le privilège de conduire avec des collègues canadiens et français. Pour la première fois nous avons mis en évidence sans ambiguïté et de façon quantitative l'évolution des propriétés des galaxies : la luminosité, le contenu en étoiles, le regroupement dans l'espace, évoluent de façon substantielle. Pas vraiment de surprise, mais un soulagement de confirmer par des données d'observations dûment validées ce qui était en gros attendu par les modèles. Certains éléments ont surpris, en particulier la forte évolution du taux de formation d'étoiles mesuré jusqu'à dix fois plus important lorsque l'Univers avait la moitié de son âge actuel que maintenant.

Figure 7 : Image la plus profonde du ciel réalisée par le télescope spatial Hubble. © Domaine public

Depuis ce programme pionnier, deux grandes motivations ont poussé le développement d'instruments encore plus performants : trouver des galaxies toujours plus loin pour remonter aux premiers objets qui ont du apparaître dans l'Univers lors de l'époque de réionisation, et cartographier de grands volumes d'Univers à toutes les époques le long de la flèche du temps. Traduit en contraintes techniques pour les observatoires, cela implique d'accroître la capacité des télescopes à capturer de très faibles flux lumineux et de pouvoir mesurer beaucoup de galaxies. Il y a le spectaculaire télescope spatial Hubble, qui a produit les images les plus profondes de l'Univers (Figure 7). Pendant les douze dernières années une nouvelle génération de très grands télescopes a vu le jour, en particulier les deux télescopes Keck sur le Mauna Kea à Hawaii, chacun avec un miroir collecteur de 10m de diamètre, et les quatre télescopes du Very Large Telescope de l'Observatoire Européen Austral au Chili chacun d'un diamètre de 8m. Je me souviens de l'émotion qui m'a saisi lorsque j'ai vu l'un des grands miroirs de 8m lors de son polissage par la société Sagem-Reosc, plus de 50 mètres carrés de surface collectrice poli avec une précision telle qu'à l'échelle de la terre les irrégularités du miroir ne seraient que de quelques centimètres ! Emotion de nouveau en contemplant les 4 télescopes VLT depuis la plateforme de l'Observatoire Paranal, véritable cathédrale de la science, fenêtre sur l'Univers.

Figure 2 : Mille spectres de galaxies très distantes obtenus avec l'instrument VIMOS sur le Very Large Telescope de l'Observatoire Européen Austral. Chaque spectre contiens l'information de distance et de composition en gaz et étoile d'une galaxie (encart à droite : agrandissement d'un spectre). © Domaine public

Seul, un télescope n'est rien, il faut équiper son plan focal d'instruments toujours plus sophistiqués.(Fig.2Pour sonder l'Univers, j'ai proposé d'équiper l'un des télescopes de 8m du VLT d'un spectrographe multi objets capable de mesurer la distance et les propriétés de plusieurs centaines de galaxies simultanément. L'instrument VIMOS (pour Visible Multi-Object Spectrograph) a été conçu et réalisé avec une équipe d'ingénieurs surdoués, sous ma responsabilité. Probablement le meilleur de sa catégorie, VIMOS exploite pleinement l'œil gigantesque du VLT, plusieurs centaines de spectres simultanés, des centaines d'heures d'observations pour placer la communauté des astronomes européens en situation de leadership mondial dans les sondages de l'Univers profond. Aujourd'hui plusieurs programmes de grands sondages sont en cours, un peu à la manière des poupées russes, sondages couvrant beaucoup de surface du ciel mais peu profonds, couplés a des sondages très profonds sur une petite surface.

Le sondage VIMOS VLT Deep Survey que je conduis avec une équipe de plus de 30 chercheurs, étudiants et post-doctorants, assemble des informations de distance sur plus de 100000 galaxies, dans plusieurs cônes couvrant plus de 90% de l'évolution de l'Univers. Nous avons montré comment les galaxies évoluent différentiellement suivant leur luminosité ou leur type elliptique, spiral ou irrégulier. Certains résultats sont particulièrement spectaculaires. Nous démontrons que d'importants effets d'environnement façonnent les galaxies, avec les galaxies elliptiques préférentiellement dans les régions les plus denses, relation qui n'est pas innée mais se construit au cours du temps. De façon surprenante, nous avons trouvé d'avantage de galaxies dans l'Univers très distant, 1 à 2 milliards d'années après le Big Bang, que ce que laissaient supposer les précédents sondages.

Figure 8 : Galaxies très distantes identifiées par le sondage VVDS (cerclées), en nombre plus important que ce que l'on supposait auparavant (image CFHT-LS). © Domaine public

Nous avons montré que cela était probablement du au biais observationnel important de ces sondages, et que donc l'Univers était capable de former d'avantage d'étoiles dans des galaxies massives que ce que l'on supposait jusqu'à présent (Figure 8). De nombreux autres résultats sont en train d'être produits par ce sondage VVDS, ainsi que par d'autres sondages complémentaires conduits en particulier par l'équipe DEEP2 sur le télescope Keck.