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L’instrument MUSE de l’ESO vient d’observer le champs ultra profond de Hubble (« HUDF ») et il a confirmé sa capacité extraordinaire de discernement ainsi que la rapidité avec laquelle il peut la mettre en œuvre. Il porte notre regard plus précisément que jamais vers les premières galaxies.
Le HUDF (Hubble Ultra Deep Field) qui se trouve dans la constellation du Fourneau et a été photographié (on pourrait dire « découvert ») de septembre 2003 à janvier 2004 par le télescope spatial Hubble, est observable de la Terre à partir de l’hémisphère Sud et notamment par les grands observatoires situés dans le Nord du Chili dont le VLT (Very Large Telescope array) de l’ESO (European Southern Observatory). Ce « coin » de ciel extrêmement petit (il couvre 2,5 minutes d’arc soit 1/30 millionième de la surface du ciel) a été choisi parce qu’il était particulièrement vide c’est-à-dire qu’il permettait de voir extrêmement loin au travers d’un minimum d’obstacles dans un environnement bien sombre (sans pollution lumineuse). Le HUDF se distingue des deux HDF (Hubble Deep Field), précédemment observés à partir de l’hémisphère Nord (« N ») dans la constellation de la Grande Ourse en 1995 et à partir de l’hémisphère Sud (« S ») dans la constellation du Toucan en 1996. En regardant dans les HDF on n’a pu atteindre « que » 12,7 milliards d’années-lumière d’éloignement. En regardant dans l’HUDF en utilisant la puissance du VLT et les « améliorations » détaillées ci-dessous, on peut atteindre la distance prodigieuse de 13,4 milliards d’années (l’âge de l’univers est estimé à 13,8 milliards) et on parvient à la limite de ce qu’il est possible de voir en lumière visible. En effet plus on regarde loin, plus la lumière nous arrive rougie du fait de l’effet Dopler-Fizeau car les ondes électromagnétiques émises sont distendues par la vitesse d’éloignement du fait de l’expansion de l’Univers. Cette vitesse est d’autant plus grande que la source est lointaine et, à ces distances, la vitesse approche celle de la lumière. Plus éloignées, dans l’infra-rouge, elles ne sont plus à strictement parler « visible » mais on peut les observer par des instruments spécifiques capables de les capter.
MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) vient d’observer, en Novembre 2017 (voir * communiqué ESO ci-dessous), l’HUDF à partir de la plateforme Nasmyth de l’unité (« UT ») 4 du VLT. En service depuis 2014, il avait déjà été utilisé pour étudier le HDF-S. Ce qu’il apporte c’est une vision différenciée simultanée de chaque point de lumière. On obtient ainsi non seulement une image mais aussi une vitesse d’éloignement, le sens du mouvement et encore un spectre donnant la composition chimique du point observé, en résumé une véritable carte physico-chimique du ciel en 3D. On peut même distinguer plusieurs objets qui apparaissaient fusionnés car leur lumière avait en réalité des sources différentes et ces différences peuvent désormais apparaitre instantanément. MUSE est aussi particulièrement sensible à la longueur d’onde de l’hydrogène (dite ligne « Lyman-alpha ») qui est celle des astres primordiaux (avant « la production » d’éléments plus lourds par l’explosion des plus grosses étoiles, l’Univers ne comprenait que des éléments légers, de l’hydrogène surtout et un peu d’hélium). On voit donc les lumières d’astres qui n’apparaissaient pas sur les photos précédentes (jusqu’à une luminosité 100 fois plus faible). On a pu aussi remarquer que les galaxies les plus anciennes étaient entourées d’un halo de gaz d’hydrogène ce qui ouvre des pistes de recherche sur les flux de gaz vers et hors des galaxies pendant cette période critique de formation. A noter que ce qui est applicable aux galaxies très lointaines l’est aussi pour les astres plus proches dont on peut percevoir davantage de caractéristiques, notamment leur rotation qui est un élément d’analyse très important (on peut en déduire leur masse).
Avant MUSE les observations de chaque source lumineuse devait être faites séparément pour être caractérisées (et on devait choisir de le faire) ; avec MUSE on obtient une vue simultanée des sources lumineuses et de leurs spectres (on parle de « spectroscopie intégrale de champs ») et on peut donc directement voir leurs rapports. Outre les évaluations relatives des objets, l’avantage est la rapidité. Le premier champ profond cartographié (HDF-S) l’a été en 27 heures au lieu des centaines précédemment nécessaires. Dans ce champ MUSE distingue 90.000 pixels et pour chacun d’entre eux, il peut encore distinguer entre 4000 longueurs d’onde (montrant chaque pixel « dans les différentes couleurs » de son spectre).
L’instrument comporte 24 spectrographes fonctionnant simultanément et refroidis à l’azote liquide à -130°C (pour la stabilité de l’image). Il vient récemment (août 2017) de bénéficier d’une amélioration dite « AOF » (pour « Adaptative Optics Facility upgrade ») qui compense l’effet de flou causé par l’atmosphère terrestre, même à l’altitude de 2635 mètres où est situé le VLT, et donne une image beaucoup plus nette. L’AOF calcule 1000 fois par seconde les corrections qui sont immédiatement appliquées pour changer la forme du miroir secondaire (déformable) pour prendre en compte les turbulences atmosphériques perçues jusqu’à 1 km au-dessus du télescope, ce qui couvre la majorité de ces turbulences (d’autres améliorations sont prévues).
MUSE est le fruit d’un consortium piloté par le Centre de recherche en astrophysique de Lyon (CRAL – CNRS/Université Claude Bernard-Lyon 1/ENS-Lyon). Le Consortium, où la Suisse est représentée, est dirigé par l’astrophysicien Roland Bacon du CNRS/CRAL. Il comprend l’ESO, le Leiden Observatory (NOVA – Pays-Bas), l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie (IRAP – INSU-CNRS/Université Paul Sabatier ; Observatoire Midi-Pyrénées), l’Institut für Astrophysik (Georg-August University of Göttingen – Allemagne), l’Institute for Astronomy à ETH, Zurich et l’Astrophysikalisches Institut Potsdam (Allemagne).
En astronomie, comme en astronautique, nous sommes en pleine phase de progrès technologique et les avancées possibles dans la connaissance de notre Univers sont considérables. Cela devrait passionner et attirer bien des jeunes à la tête bien faite et à la recherche d’aventures.
Liens :
Communiqué ESO du 29 Nov. 2017 (*) : https://www.eso.org/public/news/eso1738/
Numéro spécial d’Astronomy & Astrophysics (dont papier introductif en accès libre): https://www.aanda.org/component/toc/?task=topic&id=868
Contribution ETH Zürich : https://www.phys.ethz.ch/carollo/research/vlt-muse.html
documentaire réalisé par le CNRS sur la conception et la réalisation de MUSE. A voir absolument (et à diffuser largement!) pour bien comprendre l’enthousiasme justifié des chercheurs: http://videotheque.cnrs.fr/visio=6300
Image à la Une :
HUDF dans les longueurs d’onde allant de l’ultra-violet au proche infra-rouge. Crédit: ESO/MUSE équipe HUDF
Images ci-dessous, crédit ESO/MUSE équipe HUDF :
Instrument MUSE, partie “avant”, vers le miroir:
Instrument MUSE, partie “arrière”, vers les opérateurs (NB: vous pouvez remarquer le nom de l’ETF sur le panneau de coordination du haut de l’appareil):