Univers

Les astronomes ont toujours suspecté que la croissance des galaxies résultait de l’attraction de matière environnante, mais ce processus s’est avéré très difficile à observer directement. Le Très Grand Télescope – le VLT – de l’ESO a été récemment utilisé pour étudier le très rare alignement d’une galaxie lointaine ¹ et d’un quasar – le centre extrêmement brillant d’une galaxie au sein duquel réside un trou noir supermassif – plus distant encore. Avant d’atteindre la Terre, la lumière en provenance du quasar traverse la matière qui environne la galaxie d’avant plan, ce qui permet d’étudier en détail les propriétés du gaz entourant la galaxie ². Ces nouveaux résultats apportent le meilleur aperçu à ce jour d’une galaxie en plein festin.

« Ce type d’alignement est extrêmement rare et il nous a permis d’effectuer des observations uniques », nous confie Nicolas Bouché de l’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP), Toulouse, France, auteur principal du nouvel article. « Nous avons été en mesure d’utiliser le VLT de l’ESO pour sonder la galaxie elle-même ainsi que le gaz environnant. Ce qui nous a permis d’aborder une question essentielle relative à la formation des galaxies : comment les galaxies croissent-elles et comment alimentent-elles la formation d’étoiles ? »

Lorsqu’elles créent de nouvelles étoiles, les galaxies épuisent rapidement leurs réservoirs de gaz ; afin de poursuivre cette activité, elles doivent donc être continûment alimentées en gaz frais. Les astronomes suspectaient que l’attraction gravitationnelle du gaz froid environnant par la galaxie constituait la clé du problème. Dans ce scénario, une galaxie attire du gaz qui entoure ensuite la galaxie et tourne avec elle avant de tomber à l’intérieur. Bien que des preuves de l’existence de cette accrétion galactique aient déjà été collectées, le mouvement du gaz et ses autres propriétés n’avaient pas encore été totalement étudiés.

Les astronomes ont utilisé les instruments SINFONI et UVES ³ qui tous deux équipent le VLT de l’ESO situé à l’Observatoire de Paranal au nord du Chili. Les nouvelles observations ont livré de précieuses informations concernant la rotation de la galaxie ainsi que la composition et le mouvement du gaz environnant la galaxie.

« Les propriétés de ce vaste volume de gaz environnant étaient en accord parfait avec les propriétés attendues d’un gaz froid aspiré par la galaxie » nous révèle Michael Murphy (Université de Technologie de Swinburne, Melbourne, Australie), co-auteur de l’étude. « Le gaz se déplace comme prévu, en quantité prévue et sa composition est en accord total avec le modèle. C’est comme si l’heure du repas pour les lions d’un zoo avait sonné – cette galaxie est particulièrement vorace, et nous avons découvert de quoi elle se nourrit pour croître si rapidement. »

Les astronomes avaient déjà découvert l’existence de matière autour des galaxies de l’Univers jeune, mais c’est la toute première fois qu’ils ont été en mesure de prouver, sans la moindre ambigüité, que la matière se déplace vers l’intérieur et non vers l’extérieur de la galaxie, de déterminer également la composition de ce carburant frais nécessaire à la création des générations suivantes d’étoiles. Sans la lumière du quasar et l’effet de projecteur qu’il crée, ce gaz environnant serait demeuré indétectable.

« Dans ce cas précis, nous avons eu la chance que le quasar se situe dans l’alignement précis de la galaxie, de sorte que sa lumière traverse le gaz tombant sur la galaxie. La prochaine génération de télescopes géants permettra d’observer les galaxies sous de multiples angles et procurera donc une vision d’ensemble bien plus complète » conclut Crystal Martin (Université Santa Barbara de Californie, Etats-Unis), co-auteur de l’étude.

L’instrument SPIRou

Crédit : Sébastien Chastanet, OMP/IRAP/CNRS, 2018

Voir en ligne : Le communiquué sur le site de l’INSU

Une équipe d’astronomes a combiné de nouvelles observations de Gliese 667C avec des données existantes issues de l’instrument HARPS qui équipe le télescope de 3,6 mètres de l’ESO au Chili, et en a déduit l’existence d’un système composé d’au moins six planètes. De plus, trois de ces planètes se révèlent être des super-Terres dont l’éloignement de leur étoile permet d’envisager l’existence d’eau liquide à leur surface, ce qui en fait de possibles candidates à l’habitabilité. Il s’agit là de la toute première découverte d’un système doté d’une zone habitable bien remplie.

L’étoile Gliese 667C a fait l’objet de nombreuses études. Dotée d’une masse équivalente au tiers de la masse du Soleil, elle appartient à un système stellaire triple noté Gliese 667 (ou bien encore GJ 667) situé à 22 années-lumière, dans la constellation du Scorpion. Elle se situe donc dans le voisinage immédiat de notre Soleil, à bien plus grande proximité que les systèmes d’étoiles étudiés au moyen de télescopes tel que le télescope spatial chasseur d’exoplanètes Képler.

Des études antérieures de Gliese 667C ont montré que l’étoile abrite trois planètes (eso0939, eso1214) dont l’une se situe en zone habitable. Une équipe d’astronomes menée par Guillem Anglada-Escudé de l’Université de Göttingen en Allemagne et Mikko Tuomi de l’Université de Hertfordshire au Royaume-Uni, a récemment réexaminé le système au moyen de nouvelles observations effectuées par l’instrument HARPS et de données issues d’autres télescopes ¹ et a ainsi complété le tableau existant. Ils ont trouvé les preuves de l’existence de sept planètes autour de l’étoile ². Ces planètes sont en orbite autour de la troisième étoile la plus faible d’un système stellaire triple. Les deux autres soleils constitueraient une paire d’étoiles très brillantes visibles en plein jour et aussi lumineuses que la pleine Lune durant la nuit. Les nouvelles planètes viennent compléter la zone habitable de Gliese 667C – il n’existe pas en effet d’autre orbite planétaire stable située à une distance appropriée de l’étoile.

« Nous savions, d’après des études antérieures, que l’étoile était entourée de trois planètes, nous voulions donc vérifier l’éventuelle existence d’autres planètes », nous dit Tuomi. « En ajoutant de nouvelles observations et en revisitant les données existantes, nous avons été en mesure de confirmer l’existence de ces trois corps et d’en découvrir de nouveaux. Trouver trois planètes de faible masse dans la zone habitable de l’étoile s’est révélé être très excitant ! »

Trois de ces planètes se sont avérées être des super-Terres – des planètes plus massives que la Terre mais moins massives que des géantes telles qu’Uranus et Neptune – qui occupent la zone habitable de l’étoile, une mince bande située autour de l’étoile et au sein de laquelle l’eau est susceptible d’être présente à l’état liquide si les conditions sont propices. C’est la toute première fois que trois planètes de ce type ont été repérées dans cette zone d’un même système ³.

« La probabilité de trouver des planètes potentiellement habitables dans notre galaxie est d’autant plus grande que plusieurs d’entre elles sont en orbite autour d’une seule et même étoile de faible masse – nous savons à présent qu’il nous suffit d’observer une seule étoile pour découvrir plusieurs planètes plutôt que d’observer dix étoiles à la recherche d’une seule planète potentiellement habitable » ajoute Rory Bames (Université de Washington, Etats-Unis), co-auteur de l’étude.

Les systèmes compacts qui entourent des étoiles semblables à notre Soleil sont abondants dans la Voie Lactée. Les planètes qui sont en orbite à proximité d’une étoile hôte de ce type sont très chaudes et certainement inhabitables. Mais cela n’est pas le cas des étoiles plus froides telles que Gliese 667C. Dans ce cas, l’intégralité de la zone habitable se situe à l’intérieur d’une orbite de dimension semblable à celle de Mercure, à plus grande proximité de l’étoile hôte donc. Le système Gliese 667C constitue le premier exemple d’un système constitué d’une étoile de faible masse et de planètes vraisemblablement rocheuses situées dans la zone habitable.

Le scientifique de l’ESO responsable de l’instrument HARPS, Gaspare Lo Curto, ajoute : « Ce passionnant résultat a été en grande partie obtenu grâce à la puissance de HARPS, de son logiciel associé, et souligne toute l’importance des archives de l’ESO. Il est très gratifiant de voir plusieurs groupes de chercheurs indépendants exploiter cet instrument unique et atteindre la précision ultime ».

Et Anglada-Escudé de conclure : « Ces nouveaux résultats montrent à quel point il peut être intéressant de procéder à une nouvelle analyse de données et de combiner les résultats obtenus par différentes équipes au moyen de divers télescopes ».

L’équipe de chercheurs participe à ces observations au sol en utilisant, depuis 2010, l’instrument SOPHIE, un spectroscope extrêmement précis installé au télescope de 1,93 mètre de l’Observatoire de Haute-Provence et spécialisé notamment dans ce type d’études. SOPHIE lui a déjà permis de détecter et caractériser plus d’une quinzaine de planètes Kepler. L’équipe complète à présent ce programme par des observations menées avec le spectroscope HARPS-N, d’une précision encore supérieure à celle de SOPHIE. Il a été mis en place en 2012 au Télescope italien Galilée.

L’un des objectifs principaux de HARPS-N est d’étudier et de caractériser les candidats Kepler. L’équipe française a pu utiliser ce nouvel instrument grâce à un programme d’échange de nuits d’observation au sein de la communauté européenne. C’est l’utilisation combinée des observations de Kepler et des deux spectroscopes SOPHIE et HARPS-N qui a permis la détection et l’étude de ces deux nouvelles planètes, nommées KOI-200b et KOI-889b.

La planète KOI-200b est un peu plus grosse que Jupiter et un peu moins massive. D’une faible densité, cette géante gazeuse tourne autour de son étoile en un peu plus d’une semaine. La planète KOI-889b a une taille semblable à celle de Jupiter mais une masse dix fois plus grande. Cette planète hyper-massive tourne autour de son étoile en un peu moins de neuf jours.

La majorité des planètes en transit connues ont des périodes orbitales inférieures à cinq jours ; comme la plupart des celles qui ont des périodes plus longues, KOI-200b et KOI-889b ont pu être détectées en partie grâce à des observations spatiales. Ces deux planètes sont sur des orbites particulièrement excentriques. Pendant leur révolution, elles s’approchent puis s’éloignent de leur étoile, provoquant de grandes variations de la température d’équilibre des planètes, de plusieurs centaines de degrés en quelques jours.

En plus d’être l’une des plus massives, KOI-889b est l’une des planètes en transit connues les plus excentriques. Elle pourrait avoir été formée par un mécanisme différent des planètes moins massives. En effet, si certaines de ces planètes géantes et chaudes semblent promises à finir un jour par tomber sur leur étoile, d’autres pourraient atteindre une orbite à l’équilibre plus stable. Ces deux nouvelles planètes peuvent ainsi aider à mieux comprendre les interactions gravitationnelles qui influent sur l’évolution des orbites des planètes proches de leur étoile.

Le taux de formation stellaire dans cette galaxie (baptisée HFLS3) est incroyablement grand. Il y naît l’équivalent de 3000 soleils par an, soit 2000 fois plus que dans notre galaxie, la Voie Lactée. HFLS3 se place donc parmi les galaxies les plus actives de l’Univers alors que celle-ci n’est âgée que de … 900 millions d’années ². Paradoxalement, cette monstrueuse galaxie, qui a déjà atteint la masse de la Voie Lactée, aurait pu passer inaperçue dans les images du projet HerMES ³ car elle n’apparaît que comme une tache rouge et faible. Rouge ou plutôt infrarouge car ses jeunes étoiles sont enveloppées dans une gigantesque nébuleuse de poussières interstellaires qui ne laisse pas passer la lumière visible ; faible à cause de l’énorme distance qui la sépare d’Herschel.

Les estimations de la masse de gaz transformée en étoiles de HFLS3 ont été réalisées grâce au logiciel CIGALE ⁴ spécialement développé pour traiter les données observées par Herschel. Une galaxie isolée transformant en étoiles l’équivalent de 3000 fois la masse du Soleil en un an n’est pas censée être observée aussi tôt dans l’évolution de l’Univers. En fait, cette galaxie représente un phénomène si extrême que l’on pourrait la qualifier de « flambée stellaire maximale » : toute la galaxie produit frénétiquement de nouvelles étoiles à un rythme tel que leur propre radiation risque d’éparpiller la matière de la galaxie elle même.

Selon les chercheurs, les modèles prédisent que quelques galaxies massives se forment très tôt dans les régions les plus denses de l’Univers qui rassemblent très vite beaucoup de gaz et qui deviendront plus tard les amas de galaxies. En revanche, la vitesse à laquelle cette galaxie forme des étoiles est étonnante. Le seul phénomène que l’on connaisse qui puisse déclencher une telle flambée est la fusion de deux galaxies déjà très massives pour cette époque. C’est un phénomène très rare, d’autant plus que les flambées de formation d’étoiles déclenchées par les fusions ne durent que quelques dizaines de millions d’années.

• La galaxie HFLS3 observé par le satellite Herschel

La galaxie « HFLS3 » a été initialement détectée comme un petit point rouge dans les images sub-millimétriques de l’observatoire spatial Herschel de l’ESA (image principale et imagettes colorées à droite). Des observations supplémentaires de l’optique au millimétrique (cadres insérés) avec d’autres télescopes montrent que deux galaxies apparaissent très proches l’une de l’autre. Elles sont toutefois extrêmement lointaines l’une de l’autre (ainsi que de la Terre). Toutefois, celle qui est vu en sub-millimétriques (en bleu dans le cadre inséré) est si distante de nous que nous l’observons telle qu’elle était lorsque l’Univers avait juste 900 millions d’années (13,7 milliards d’années aujourd’hui). Elle formait, alors, 1000 fois plus d’étoiles par an que notre propre galaxie, la Voie Lactée en forme maintenant.

• Images de la région autour de la galaxie HFLS

Ces images montrent la région (30’’ x 30’’ en haut) autour de la galaxie HFLS3 telle qu’elle est observée par différents télescopes à des longueurs d’onde différentes. Un agrandissement sur les 10’’ x 10’’ centrales est réalisé dans la ligne du bas. La galaxie G1B domine l’essentiel de l’émission pour la plupart de ces images.

• La galaxie HFLS3 observée en utilisant la technique de l’optique adaptative

La galaxie HFLS3 à z = 6.34, observée ici en utilisant la technique de l’optique adaptative qui permet de corriger des effets troublants de l’atmosphère terrestre, se trouve à « proximité » d’un autre objet (G1B) bien plus proche à z = 2.09 qui se trouve pourtant à 10 milliards d’années-lumière de la Terre. La distance vraie entre les deux est donc de l’ordre de 9 milliards d’années-lumière. Cette image est l’une des plus précises que l’on ait pu obtenir de HFLS3 et elle montre que cette dernière est probablement composée de plusieurs éléments distincts. La tache noire dans le cadran en bas et à gauche indique la résolution de l’image.