Pour découvrir comment les galaxies se développent, nous zoomons dans le ciel nocturne et capturons des explosions cosmiques.

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Les scientifiques voient la flore, la faune et les phénomènes que le reste d’entre nous voit rarement. Dans cette série, nous les avons invités à partager leurs photos uniques.

Dans toute l’Australie, des astronomes utilisent des technologies de pointe pour capturer le ciel nocturne, dans l’espoir d’aborder un jour certaines de nos plus grandes questions sur l’univers.

Alors que nous et nos collègues nous enfonçons plus profondément dans le cosmos, à la recherche d’explosions cosmiques, nos observations contribuent à faire la lumière sur des mystères de longue date – et ouvrent la voie à des voies d’investigation entièrement nouvelles.

Les éruptions cosmiques remplissent le ciel

Le programme Deeper, Wider, Faster (DWF) de Swinburne – sur lequel l’une d’entre nous (Sara Webb) a travaillé tout au long de son doctorat – a été développé pour faire la chasse aux explosions les plus rapides et les plus mystérieuses de l’univers.

Mais pour comprendre ce qui cause les explosions cosmiques, nous devons regarder ces événements avec plusieurs yeux, à travers différents télescopes dans le monde. Aujourd’hui, nous allons vous emmener en voyage en utilisant les données de l’un de ces télescopes, le Blanco 4m, à l’Observatoire interaméricain Cerro Tololo du Chili.

Le télescope Blanco 4m au Chili. Ce télescope est équipé d’une caméra à énergie noire. Rebecca Allen

Tout d’abord, les plus de 60 images individuelles prises dans le champ de vision de ce télescope sont combinées en une mosaïque. À l’intérieur de celles-ci, on voit les milliers de sources lumineuses.

Voici un exemple de données de la caméra d’énergie noire prises par le programme DWF. Cette image est celle d’une énorme section du ciel. Sara Webb

Ces images sont transférées de l’autre côté du Pacifique pour être traitées sur le superordinateur OzStar de Swinburne – qui est plus puissant que 10 000 ordinateurs portables personnels et peut traiter des milliers de tâches différentes à la fois.

Une fois téléchargées, les images sont décomposées en petits morceaux. C’est à ce moment-là que l’on commence à voir les détails.

En photo, certaines des galaxies visibles au sein de plus petites découpes de données envoyées au programme DWF par le Blanco 4m. Sara Webb

Mais les galaxies ci-dessus, aussi spectaculaires soient-elles, ne sont toujours pas ce que nous recherchons. Nous voulons capturer de nouvelles sources résultant d’étoiles mourantes et d’explosions cosmiques, que nous pouvons identifier en demandant à nos ordinateurs de rechercher la lumière dans des endroits où elle n’a pas été détectée auparavant.

Une source peut être beaucoup de choses différentes, y compris une étoile flamboyante, une étoile mourante ou un astéroïde. Pour le savoir, nous devons collecter en permanence des informations sur sa luminosité et les différentes longueurs d’onde de la lumière qu’elle émet, comme la radio, les rayons X, les rayons gamma, etc.

À gauche, une ancienne image d’une parcelle de ciel et à droite, une image actualisée avec une nouvelle source qui vient de se produire. Celle-ci est probablement une étoile éruptive ou un astéroïde. Sara Webb

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Une fois que nous avons repéré une source, nous surveillons les changements de sa luminosité au cours des heures et des jours à venir. Si nous pensons qu’elle peut représenter une explosion cosmique rare, nous déclenchons d’autres télescopes pour recueillir des données supplémentaires.

Regarder dans le passé lointain

Les galaxies sont de vastes collections d’étoiles, de gaz, de poussière et de matière noire. Elles varient en forme, en taille et en couleur, mais les deux principaux types que nous voyons dans l’univers aujourd’hui sont les spirales bleues et les elliptiques rouges. Mais comment se forment-elles? Et pourquoi existe-t-il différents types?

Les astronomes savent que les formes et les couleurs d’une galaxie sont liées à son évolution, mais ils essaient encore de comprendre exactement quelles formes et couleurs sont liées à des voies de croissance spécifiques.

Nous pensons que les galaxies croissent en taille et en masse par deux voies principales. Elles produisent des étoiles lorsque leurs vastes nuages d’hydrogène s’effondrent sous l’effet de la gravité. Au fur et à mesure que le gaz se transforme en étoiles, leur taille augmente.

Grâce à des technologies spatiales telles que le télescope spatial Hubble et à de puissants télescopes terrestres, les astronomes peuvent désormais remonter le temps pour étudier la croissance des galaxies au cours de l’histoire de l’univers.

Cela est possible car plus une galaxie est éloignée, plus sa lumière a parcouru de temps pour nous parvenir. La vitesse de la lumière étant constante, nous pouvons déterminer quand la lumière a été émise – pour autant que nous connaissions la distance de la galaxie par rapport à la Terre (appelée son redshift).

Une sélection de galaxies lointaines repérées dans mon étude de la croissance des galaxies au fil du temps. Celles-ci apparaissent très différentes des galaxies proches. Rebecca Allen

J’ai mesuré cette croissance dans le cadre de mon doctorat, en prenant des images de galaxies qui existent à différents décalages vers le rouge depuis aussi loin que lorsque l’univers n’avait qu’un milliard d’années et en comparant leurs tailles.

Quand les galaxies fusionnent

En regardant l’univers aujourd’hui, nous voyons surtout des galaxies regroupées. Les astronomes pensent que la nature de l’entourage d’une galaxie ou son environnement peut affecter ses voies de croissance, de la même manière que les habitants des grandes villes peuvent accéder à plus de ressources que ceux des zones rurales.

Lorsque de nombreuses galaxies sont regroupées, elles peuvent interagir. Et cette interaction peut stimuler des salves de formation d’étoiles au sein d’une galaxie particulière.

Cela dit, cette poussée de croissance peut être de courte durée, car le gaz et les étoiles peuvent être arrachés par l’interaction gravitationnelle entre plusieurs galaxies, limitant ainsi la formation d’étoiles et la croissance futures dans une seule galaxie.

Cette image a été capturée à l’aide du télescope spatial Hubble. Elle montre un groupe de galaxies spirales, que les astronomes peuvent clairement déterminer grâce à la haute résolution de l’image. Rebecca Allen

Mais même si une galaxie ne peut pas former d’étoiles, elle peut toujours croître en fusionnant avec des galaxies plus petites ou en les consommant. Par exemple, la Voie lactée consommera un jour les petits nuages de Magellan, qui sont des galaxies naines. Elle fusionnera également un jour avec la galaxie d’Andromède, légèrement plus grande, pour former une galaxie géante.
Pourtant, si de nombreuses études ont été menées pour décortiquer l’évolution des galaxies, on ne peut pas encore dire que toutes nos questions ont trouvé une réponse.

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Il a fallu des milliards d’années pour que les amas de galaxies que nous observons aujourd’hui se forment. Mais si les astronomes peuvent exploiter les dernières technologies et scruter plus loin que jamais, nous espérons obtenir des indices sur la façon dont l’environnement d’une galaxie peut avoir un impact sur sa croissance.

En photo, deux groupes de galaxies lointaines qui existaient lorsque l’univers avait un quart de son âge actuel. Ces groupes de galaxies vont finir par se réunir et former une structure similaire à l’amas de la Vierge. Je les ai étudiés tous les deux pour en savoir plus sur la croissance des galaxies qui les composent. Rebecca Allen

La courbure de l’espace-temps révèle des secrets

Avec des décennies d’observations et des millions de galaxies capturées dans des relevés, les experts ont de nombreuses théories concernant la formation des galaxies et l’évolution de l’univers. Ce domaine est appelé cosmologie.

Grâce à Albert Einstein, nous savons que la force gravitationnelle des objets massifs dans l’espace fait plier l’espace. Cela a été observé par un phénomène connu sous le nom de lentille, où de grandes quantités de matière sont concentrées dans une zone au sein d’objets tels que les trous noirs, les galaxies ou les amas de galaxies.

Leur gravité déforme l’espace-temps, agissant comme une lentille géante pour révéler des images déformées d’objets plus lointains derrière eux. En utilisant la lentille, les astronomes ont développé des moyens de trouver et d’étudier des galaxies lointaines qui seraient autrement cachées à la vue.

Un ensemble de lentilles de galaxie à galaxie. La gravité de la galaxie massive de premier plan déforme l’espace-temps, agissant comme une lentille qui révèle une image déformée d’une galaxie lointaine d’arrière-plan. Rebecca Allen

Ces observations continuent de faire évoluer notre compréhension de l’évolution des galaxies. Elles remettent en question nos théories sur quand et comment les galaxies se forment et grandissent.

Une découverte de 2018 faite par un groupe de chercheurs, dont je fais partie, a révélé un ensemble de galaxies massives et déjà évoluées datant de l’époque où l’univers n’avait qu’environ un sixième de son âge actuel. Elles auraient dû se former et croître à un rythme extrêmement rapide pour correspondre à nos modèles actuels de croissance des galaxies.

Dans une prochaine enquête, le professeur Karl Glazebrook, de Swinburne, nous conduira, mon équipe et moi, à faire partie des premiers astronomes à qui l’on accorde l’accès au télescope spatial James Webb de la Nasa pour étudier ces premières galaxies.

L’une des galaxies massives quiescentes que notre équipe va étudier. Bien qu’extrêmement grande, ses étoiles plus anciennes et sa distance la font apparaître comme une minuscule pépite rouge parmi les galaxies beaucoup plus brillantes et plus proches. Rebecca Allen, auteur fourni

Images utilisées avec l’aimable autorisation de Pexels/Pixabay.

Cet article est republié depuis The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article original.