Dans le Far West américain, midi était le moment des duels et des confrontations. En ce qui concerne l’histoire de l’univers, le midi cosmique comportait des feux d’artifice d’un genre différent. Quelque 2 à 3 milliards d’années après le big bang, la plupart des galaxies ont connu une poussée de croissance, formant des étoiles à un rythme des centaines de fois supérieur à celui que nous observons aujourd’hui dans notre propre galaxie, la Voie lactée. Lors de son lancement en mai 2027, le télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA promet d’apporter de nouvelles informations sur l’apogée de la formation d’étoiles.
Le midi cosmique est un moment important dans l’histoire de l’univers car il a façonné ce que sont les galaxies aujourd’hui. Mais de nombreuses questions restent sans réponse. Pourquoi la formation d’étoiles a-t-elle culminé puis décliné ? Pourquoi certaines galaxies ont-elles soudainement cessé de former des étoiles tandis que d’autres se sont éteintes progressivement ? Quelle a été l’importance des influences locales telles que le nombre de voisins galactiques dans la formation de cette évolution ?
Pour répondre à ces questions, les astronomes ont besoin d’un échantillon abondant de galaxies de cette période à étudier. La puissance de Roman résidera dans sa capacité à capturer des milliers d’objets d’intérêt en une seule vue. Avec une enquête aussi vaste, les scientifiques n’auront pas à choisir à l’avance leurs cibles préférées, ce qui peut entraîner des biais involontaires.
« Avec un champ de vision 100 fois plus large que le télescope spatial Hubble, Roman peut changer le paysage astronomique en étant si efficace », a déclaré Kate Whitaker, professeure adjointe d’astronomie à l’Université du Massachusetts à Amherst. Les recherches de Whitaker se concentrent sur l’étude de la régulation de la formation et de l’extinction des étoiles dans les galaxies massives de l’univers primitif.
Le large champ de vision de Roman permettra également aux astronomes de mettre les galaxies individuelles en contexte en voyant comment leurs poussées de croissance, et les ralentissements qui en découlent, varient en fonction de leur emplacement dans la « toile » cosmique – la structure à grande échelle de l’univers.
« Vous prenez une image et vous obtenez tout. Nous verrons quels sont les objets intéressants et où ils se trouvent », a déclaré Casey Papovich, professeur d’astronomie à la Texas A&M University à College Station, au Texas. Les recherches de Papovich comprennent la quantification de la croissance et de l’assemblage de la masse stellaire dans les galaxies de l’univers primitif.
Le télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA sera un outil puissant pour étudier les galaxies à travers le cosmos. Il pourra fournir des spectres pour chaque galaxie dans son champ de vision. Et avec un champ de vision 200 fois supérieur à celui du télescope spatial Hubble aux longueurs d’onde infrarouges, Roman peut capturer des milliers d’objets d’intérêt en une seule observation. Crédit : Vidéo : Robert Hurt (IPAC/Caltech) ; Hubble Ultra Deep Field Visualization avec l’aimable autorisation de Frank Summers (STScI)/NASA’s Universe of Learning ; Musique : « Red Giant » de Stellardrone
Au-delà de l’imagerie
Alors que les images peuvent aider les astronomes à repérer les galaxies d’intérêt, beaucoup plus d’informations peuvent être glanées en diffusant la lumière d’une galaxie dans un spectre. Papovich, avec Vicente (Vince) Estrada-Carpenter de l’Université St. Mary’s à San Antonio, Texas, et leurs collègues, a mis au point une technique pour extraire la lumière de toutes les étoiles d’une galaxie combinée.
En examinant le spectre d’une galaxie, vous pouvez en apprendre davantage sur l’âge de ses étoiles, son histoire de formation d’étoiles, le nombre d’éléments chimiques lourds qu’elle contient, et plus encore. En faisant cela pour un grand nombre de galaxies primitives, les astronomes peuvent en apprendre davantage sur les processus qui ont conduit et finalement mis fin à cette période de croissance rapide.
La puissance de Roman peut être encore renforcée en observant des galaxies lointaines dont la lumière a été déformée par un phénomène appelé lentille gravitationnelle. La gravité d’un amas de galaxies intermédiaire peut amplifier et éclaircir la lumière d’une galaxie plus éloignée, permettant aux astronomes d’étudier la galaxie d’arrière-plan plus en détail que ce qui serait autrement disponible.
Whitaker utilise déjà cette technique avec Hubble pour étudier les noyaux de jeunes galaxies par rapport à leur périphérie. Ce travail cherche à déterminer si la formation d’étoiles s’arrête de l’extérieur vers l’intérieur ou de l’intérieur vers l’extérieur, c’est-à-dire de la périphérie de la galaxie vers son centre ou vice versa.
« L’extinction de la galaxie – une fin soudaine de la formation d’étoiles – peut être un processus rapide sur des échelles de temps cosmologiques. Par conséquent, en attraper un en flagrant délit est difficile car ils sont si rares », a déclaré Whitaker. « Roman nous aidera à trouver ces rares exemples. »
Alors que la vue spatiale de Roman fournira une excellente netteté et stabilité, les observatoires au sol entreront également en jeu dans l’étude du midi cosmique. Par exemple, l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array peut mesurer la teneur en gaz et en poussière des galaxies lointaines. Et les futurs télescopes de la classe des 30 mètres pourront mesurer des détails exquis dans les spectres des galaxies grâce à leur capacité à collecter beaucoup de lumière.
« Les observatoires romains et au sol se compléteront. Roman identifiera et caractérisera à lui seul et efficacement les galaxies les plus intéressantes dans de grands champs de vision. Nous pourrons ensuite revenir avec des télescopes au sol pour les étudier plus en détail », expliqua Papovitch.