Les premières images de la toile cosmique révèlent une myriade de galaxies naines insoupçonnées

Les filaments de gaz dans lesquels naissent les galaxies sont prédits depuis longtemps par les modèles cosmologiques mais nous n’avions pas encore de véritables images de ces objets. Pour la première fois, plusieurs filaments de cette « toile cosmique » ont été observés directement, grâce à l’instrument MUSE¹ du Very Large Telescope de l’ESO, au Chili. Ces observations de l’Univers jeune, 1 à 2 milliards d’années après le Big Bang, suggèrent l’existence de très nombreuses galaxies naines, jusqu’alors insoupçonnées. Issue d’une collaboration internationale dirigée par le Centre de recherche astrophysique de Lyon (CNRS/Université Lyon 1/ENS de Lyon) et associant le laboratoire Lagrange (CNRS/Université Côte d’Azur/Observatoire de la Côte d’Azur)², cette étude parait dans la revue Astronomy & Astrophysics le 18 mars 2021.

La structure filamentaire du gaz d’hydrogène dans lequel se forment les galaxies, appelée toile cosmique, est l’une des grandes prédictions du modèle du Big Bang et de la formation des galaxies.
 
Jusqu’à présent, la connaissance que nous en avions était limitée à quelques zones particulières, notamment en direction de quasars : ceux-ci agissent comme des phares de voiture, leur puissant rayonnement révélant les nuages de gaz le long de la ligne de visée. Cependant, ces régions sont peu représentatives de l’ensemble des filaments où sont nées la plupart des galaxies, dont la nôtre. Observer directement la faible lueur du gaz formant ces filaments était un Graal, auquel vient d’accéder une équipe internationale dirigée par Roland Bacon, chercheur CNRS au Centre de recherche astrophysique de Lyon (CNRS/Université Lyon 1/ENS de Lyon).

L’équipe a fait le pari de pointer, sur une unique région du ciel pendant plus de 140 heures, le Very Large Telescope de l’ESO, équipé de l’instrument MUSE couplé au système d’optique adaptative du télescope : ensemble, ces instruments forment l’un des systèmes les plus performants au monde³. La région choisie fait partie du champ ultra profond de Hubble, qui était jusqu’à présent l’image la plus profonde du cosmos jamais obtenue. Mais Hubble vient d’être détrôné puisque 40 % des galaxies découvertes grâce à MUSE n’ont pas de contrepartie dans les images de Hubble.

Il a fallu huit mois, après une planification minutieuse, pour conduire cette campagne d’observation hors norme. Puis une année d’un long processus de traitement et d’analyse des données, qui a permis de révéler pour la première fois la lueur des filaments d’hydrogène, et d’obtenir les images de plusieurs filaments tels qu’ils étaient 1 à 2 milliards d’années après le Big Bang, une époque clé pour comprendre comment les galaxies se forment à partir du gaz de la toile cosmique.
 
Mais la plus grande surprise est venue lorsque l’équipe a réalisé, grâce à des simulations, que la lueur du gaz provenait d’une population jusqu’alors invisible de milliards de galaxies naines donnant naissance à de nombreuses étoiles⁴. Ces galaxies sont trop faiblement lumineuses pour être détectées individuellement avec les moyens actuels, mais leur existence aura d’importantes conséquences pour les modèles de formation de galaxies, conséquences que les scientifiques commencent tout juste à explorer.
 

Notes

1 MUSE, pour Multi Unit Spectroscopic Explorer, est un spectrographe 3D conçu pour explorer l’Univers lointain. Le Centre de recherche astrophysique de Lyon (CNRS/Université Claude Bernard-Lyon 1/ENS de Lyon) a été pilote dans sa construction.
2 Autres laboratoires français impliqués : Laboratoire d’astrophysique de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Université/CNES), Institut de recherche en astrophysique et planétologie (CNRS/Université Toulouse III – Paul Sabatier/CNES).
3 Lire cette actualité du 1er août 2017 : Grâce à un nouveau dispositif, Muse devient un des instruments les plus puissants jamais construits pour l’astronomie au sol.
4 La théorie en vigueur jusqu’à présent prédisait que c’était le fond diffus ultraviolet cosmique (un fond lumineux très faible produit par l’ensemble des galaxies et des étoiles) qui, en chauffant le gaz des filaments, les faisait briller.
 

En savoir plus

- Sur l'instrument MUSE : visionnez le film MUSE, la machine à explorer le temps sur la plateforme de CNRS images.
- Article de Mathieu Chuniaud, doctorant au CRAL et l'un des auteurs de la publication, sur le site Sciences pour tous.
- Communiqué de presse disponible en intégralité sur le site du CNRS.
 

Bibliographie

The MUSE Extremely Deep Field: the Cosmic Web in Emission at High Redshift, Roland Bacon, David Mary, Thibault Garel, Jeremy Blaizot, Michael Maseda, Joop Schaye, Lutz Wisotzki, Simon Conseil, Jarle Brinchmann, Floriane Leclercq, Valentina Abril-Melgarejo, Leindert Boogaard, Nicolas Bouché, Thierry Contini, Anna Feltre, Bruno Guiderdoni, Christian Herenz, Wolfram Kollatschny, Haruka Kusakabe, Jorryt Matthee, Léo Michel-Dansac, Themiya Nanayakkara, Johan Richard, Martin Roth, Kasper B. Schmidt, Matthias Steinmetz, Laurence Tresse, Tanya Urrutia, Anne Verhamme, Peter M. Weilbacher, Johannes Zabl, et Sebastiaan L. Zoutendijk. Astronomy & Astrophysics, 18 mars 2021. DOI : 10.1051/0004-6361/202039887
 

Contacts

Chercheur CNRS l Roland Bacon l roland.bacon[at]univ-lyon1.fr
Presse CNRS l Véronique Etienne l T +33 1 44 96 51 37 l veronique.etienne[at]cnrs.fr