Le télescope spatial Roman est un observatoire de la NASA conçu pour percer les secrets de l’énergie et de la matière noire, rechercher et photographier des exoplanètes et explorer de nombreux sujets en astrophysique infrarouge. Crédit : NASA
Une équipe d’astrophysiciens a créé une image simulée qui montre comment le télescope spatial Nancy Grace Roman pourrait réaliser une méga-exposition similaire, mais beaucoup plus grande, à la célèbre image Ultra Deep Field de Hubble. Cette observation de Hubble a transformé notre vision de l’univers primitif, en révélant des galaxies qui se sont formées quelques centaines de millions d’années seulement après le big bang.
“Roman a la capacité unique d’imager de très grandes zones du ciel, ce qui nous permet de voir les environnements autour des galaxies dans l’univers primitif”, a déclaré Nicole Drakos, une chercheuse postdoctorale à l’Université de Californie Santa Cruz, qui a dirigé l’étude. “Notre étude contribue à démontrer ce qu’un champ romain ultra-profond pourrait nous apprendre sur l’univers, tout en fournissant un outil à la communauté scientifique pour extraire le maximum de valeur d’un tel programme.”
En capturant l’image du champ ultra profond de Hubble, les astronomes ont écarté les rideaux cosmiques pour révéler qu’une minuscule tranche de ciel apparemment vide regorgeait en fait de milliers de galaxies, chacune contenant des milliards d’étoiles. L’équipe de Hubble a exploité la puissance d’un long temps d’exposition – des centaines d’heures entre 2002 et 2012 – qui a permis au télescope de collecter plus de lumière qu’il ne pouvait le faire en une seule et courte observation. L’image obtenue nous a permis de remonter le temps de plus de 13 milliards d’années.
Cette image synthétique permet de visualiser ce à quoi pourrait ressembler un champ ultra-profond romain. Les 18 carrés en haut de cette image décrivent la zone que Roman peut voir en une seule observation, connue sous le nom d’empreinte. L’encart en bas à droite fait un zoom sur l’un des carrés de l’empreinte de Roman, et l’encart en bas à gauche fait un zoom encore plus grand. L’image, qui contient plus de 10 millions de galaxies, a été construite à partir d’une simulation qui a produit une distribution réaliste des galaxies dans l’univers. Roman a pu observer plus de 13 milliards d’années d’histoire cosmique, jusqu’à l’époque où l’univers n’avait qu’un demi-milliard d’années. Des galaxies aussi lointaines sont extrêmement faibles, de sorte que Roman devrait fixer un point dans l’espace pendant plusieurs jours pour recueillir suffisamment de lumière de leur part. Le large champ de vision de la mission fournira une quantité incroyable de données, aidant les astronomes à trouver des objets rares à l’époque de la réionisation. La vaste zone que Roman observera montrera également les différences de propriétés des galaxies en fonction de leur environnement, ce qui permettra aux astronomes de mieux comprendre comment les premières galaxies se sont formées. Crédit : Nicole Drakos, Bruno Villasenor, Brant Robertson, Ryan Hausen, Mark Dickinson, Henry Ferguson, Steven Furlanetto, Jenny Greene, Piero Madau, Alice Shapley, Daniel Stark, Risa Wechsler.
Le champ ultra profond de Hubble offre une incroyable fenêtre sur l’univers primitif, mais une fenêtre extrêmement étroite, couvrant moins d’un dix millionième du ciel entier. La nouvelle simulation montre la capacité de Roman à réaliser une observation similaire à une échelle beaucoup plus grande, révélant des millions de galaxies au lieu de milliers. Le champ ultra-profond de Roman serait tout aussi précis que celui de Hubble et permettrait de remonter aussi loin dans le temps, mais il pourrait révéler une zone 300 fois plus grande, offrant ainsi une vision beaucoup plus large des écosystèmes cosmiques.
“Le champ ultra profond de Hubble nous a donné un aperçu de la jeunesse de l’univers, mais il était trop petit pour révéler beaucoup d’informations sur ce qu’était réellement le cosmos à cette époque dans son ensemble”, a déclaré Brant Robertson, professeur d’astronomie à l’Université de Californie Santa Cruz et co-auteur de l’étude. “C’est comme regarder une seule pièce d’un puzzle de 10 000 pièces. Roman pourrait nous donner 100 pièces de puzzle connectées, offrant une bien meilleure image de ce qu’était l’univers primitif et ouvrant de nouvelles opportunités scientifiques.”
Pour générer leur image simulée de Roman en champ ultra-profond, Drakos et ses co-auteurs ont créé un catalogue synthétique de galaxies, avec des informations détaillées sur chacune d’elles. Ce faisant, l’équipe a essentiellement créé un univers factice, en basant ses galaxies synthétiques sur des simulations de matière noire et des modèles basés sur l’observation. Ils ont mis le catalogue de galaxies à la disposition du public afin que d’autres scientifiques puissent l’utiliser pour préparer les futures observations romaines. L’équipe a également créé un site web interactif où les utilisateurs peuvent zoomer et faire un panoramique sur l’image en pleine résolution.
Les résultats de l’équipe seront publiés dans The AstrophysicalJournal.
Cette vidéo montre comment Roman pourrait développer l’image emblématique de Hubble, Ultra Deep Field. Alors qu’une observation similaire de Roman serait tout aussi nette que celle de Hubble et verrait aussi loin dans le temps, elle pourrait révéler une zone 300 fois plus grande, offrant une vue beaucoup plus large des écosystèmes cosmiques. Crédit : NASACentre de vol spatial Goddard de la NASA
Regarder loin et large
Les astronomes doivent généralement choisir entre la prise d’une image large et peu profonde et la capture d’une image très sensible et profonde, car le temps de télescope est une denrée précieuse. Mais avec l’énorme champ de vision de Roman et sa vision infrarouge, ils pourront regarder loin et large simultanément, ouvrant ainsi de nouvelles voies à l’exploration cosmique.
Drakos et ses co-auteurs montrent qu’un programme de champ ultra-profond de Roman pourrait révéler plus d’un million de galaxies dispersées dans l’histoire du cosmos, depuis les très jeunes et petites galaxies qui commencent tout juste à former des étoiles jusqu’à l’ère moderne, qui présente de nombreuses galaxies massives, souvent relativement inactives. Les scientifiques seraient en mesure d’étudier comment les galaxies passent de la formation d’un grand nombre de nouvelles étoiles à cette phase plus calme, lorsque la formation des étoiles est terminée.
Les causes possibles de cette métamorphose sont actuellement mal comprises, mais le grand pouvoir d’observation de Roman pourrait offrir des indices sur la façon dont l’environnement d’une galaxie, comme son emplacement par rapport à d’autres galaxies ou amas de galaxies, affecte sa formation d’étoiles.
L’image Ultra Deep Field de Hubble, dévoilée pour la première fois en 2004 et complétée par des observations supplémentaires les années suivantes, a révélé des milliers de galaxies remontant à quelques centaines de millions d’années après le big bang. Roman pourrait effectuer une observation similaire à une échelle beaucoup plus grande, révélant des millions de galaxies au lieu de milliers. Le champ ultra-profond de Roman offrirait une vue détaillée des environnements entourant les galaxies à différents stades de développement, fournissant des indices sur leur évolution. Crédit : NASA, ESA, H. Teplitz et M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), et Z. Levay (STScI)
Les galaxies dans lesquelles la formation d’étoiles est terminée, appelées galaxies quiescentes, sont de plus en plus difficiles à trouver à mesure que les astronomes remontent dans le temps.
“Nous ne savons pas si nous n’avons pas détecté de galaxies quiescentes très lointaines parce qu’elles n’existent pas, ou simplement parce qu’elles sont si difficiles à trouver”, a déclaré Drakos.
Drakos et ses co-auteurs ont montré que la capacité de Roman à imager de grandes zones de l’univers lointain et à révéler des objets rares et peu lumineux pourrait aider les astronomes à trouver jusqu’à 100 000 galaxies quiescentes, dont certaines des plus lointaines jamais découvertes. Les astronomes pourraient également utiliser les observations romaines en champ ultra-profond pour déterminer si les galaxies passent de la formation d’étoiles à la quiescence de manière différente selon les ères cosmiques.
La fin des “âges sombres” cosmiques
Les travaux de l’équipe montrent que Roman pourrait éclairer notre compréhension d’un événement cosmique très ancien appelé réionisation. Peu de temps après le big bang, l’univers était rempli d’une mer chaude d’atomes de carbone. plasma – particules chargées – qui formaient un fluide dense et ionisé. Lorsque l’univers s’est refroidi, les particules ont pu se coller ensemble pour former des atomes d’hydrogène, ce qui a donné lieu à un brouillard d’hydrogène neutre. Cette période a marqué une ère appelée “âge sombre” cosmique, car ce brouillard empêchait la lumière de courte longueur d’onde, qui aurait pu être émise par de jeunes galaxies en formation ou des quasars, de voyager très loin.
Mais ensuite, les atomes d’hydrogène neutres se sont séparés, redevenant des particules chargées à l’époque de la réionisation. Le brouillard s’est levé, transformant l’univers, qui était essentiellement opaque, en un paysage d’étoiles brillant, comme nous le voyons aujourd’hui. Les découvertes du télescope spatial Spitzer de la NASA indiquent que les premières galaxies ont émis des quantités extrêmement élevées de rayonnements ionisants – lumière ultraviolette, rayons X et rayons gamma – qui auraient pu perturber le brouillard d’hydrogène.
Un programme romain de champ ultra-profond pourrait faire progresser notre compréhension de l’époque de la réionisation en révélant des images larges contenant plus de 10 000 galaxies de cet âge cosmique relativement bref, qui s’est produit à un moment donné entre l’âge de 600 millions et 900 millions d’années environ, et une vue détaillée des environnements autour de ces galaxies. Cela pourrait aider les scientifiques à comprendre ce qui a provoqué la réionisation, quand exactement elle s’est produite, et si son apparition était uniforme ou inégale.
Roman a également le pouvoir de révéler comment les galaxies et les amas de galaxies – qui forment certaines des plus grandes structures de l’univers – ont évolué au fil du temps. Les scientifiques pensent que les galaxies étaientnées au sein de vastes amas sphériques de matière noire appelés halos. Les observations indiquent que la luminosité, ou l’éclat absolu, de chaque galaxie est liée à la masse du halo de matière noire dans lequel elle réside. En créant une image à champ ultra-profond, Roman pourrait aider les astronomes à mieux comprendre ce lien. Cela a des implications non seulement pour la formation des galaxies, mais aussi pour le modèle cosmologique standard – le modèle théorique de l’évolution de l’univers – qui inclut un paramètre d’agglomération de la matière noire.
“Roman pourrait éclairer tant de mystères cosmiques en seulement quelques centaines d’heures d’observation”, a déclaré Bruno Villasenor, étudiant diplômé de l’Université de Californie Santa Cruz et co-auteur de l’étude. “C’est incroyable de penser que personne ne savait avec certitude si d’autres galaxies existaient jusqu’à il y a une centaine d’années. Maintenant, Roman nous offre l’opportunité d’observer des milliers de premières galaxies apparues dans l’univers très primitif !”
Le télescope spatial Nancy Grace Roman est géré au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, avec la participation du Jet Propulsion Laboratory de la NASA et du Caltech/IPAC en Californie du Sud, du Space Telescope Science Institute à Baltimore, et d’une équipe scientifique composée de scientifiques de diverses institutions de recherche. Les principaux partenaires industriels sont Ball Aerospace and Technologies Corporation à Boulder, Colorado ; L3Harris Technologies à Melbourne, Floride ; et Teledyne Scientific & ; Imaging à Thousand Oaks, Californie.
