Le télescope romain Nancy Grace fera sa propre version grand angle du champ profond Hubble

Souvenez-vous du télescope spatial Hubble Champ profond et Champ ultra-profond images?

Ces images ont montré à tout le monde que ce qui semble être une minuscule partie vide du ciel contient des milliers de galaxies, dont certaines remontent aux premiers jours de l’Univers. Chacune de ces galaxies peut avoir des centaines de milliards d’étoiles. Ces premières galaxies se sont formées seulement quelques centaines de millions d’années après le Big Bang. Les images ont inspiré la crainte dans les esprits humains qui ont pris le temps de les comprendre. Et ils font désormais partie de l’histoire.

Le prochain Télescope spatial romain Nancy Grace (NGRST) capturera sa propre version de ces images historiques mais en grand angle. Pour aiguiser notre appétit pour l’image du NGRST, un groupe d’astrophysiciens a créé une simulation pour nous montrer à quoi il ressemblera.

L’ancien nom du NGRST était WFIRST. Cela signifie Wide-Field Infrared Survey Telescope. NGRST sera lancé dans la seconde moitié de 2027 si tout se passe comme prévu. Le Hubble a été lancé en 1990, il y a donc près de 35 ans entre les deux. La technologie a énormément progressé au cours de ces années intermédiaires, de sorte que le NGRST sera beaucoup plus puissant et efficace que le Hubble à bien des égards.

Les images Hubble Deep Field (HDF) et Hubble Ultra Deep Field (HUDF) étaient des mosaïques d’images individuelles. Hubble a mis 10 jours en décembre 1995 pour capturer les 342 images composant le Deep Field. L’Ultra Deep Field a été composé d’encore plus d’images capturées avec plusieurs instruments sur Hubble. Les deux images ont nécessité des efforts minutieux, avec une planification et une exécution détaillées. Les images ont pris des centaines d’heures à capturer.

Et ils en valaient la peine.

Cette image montre le Hubble Ultra Deep Field en lumière ultraviolette, visible et infrarouge. Crédit image : NASA, ESA, H. Teplitz et M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) et Z. Levay (STScI)

Le NGRST est différent du Hubble à bien des égards. La principale différence est le champ de vision de Roman (FOV). Le NGRST a un FOV 100 fois plus grand que celui de Hubble. Ce FOV plus large est typique des télescopes de sondage. Les télescopes de surveillance imagent de larges pans du ciel à la fois plutôt que des cibles individuelles. Le Hubble a la caméra grand champ 3 et la caméra avancée pour les sondages, mais le Nancy Roman est supérieur aux deux. Alors que le champ ultra-profond de Hubble contient des milliers de galaxies – jusqu’à 10 000 ou plus – l’image en champ profond du NGRST contiendra des millions de galaxies, peut-être jusqu’à 10 millions.

La force du Romain réside dans l’observation simultanée de vastes zones du ciel. Et quand il finira par se mettre au travail plus tard cette décennie, ses images Ultra-Deep Field seront extraordinaires. Cette nouvelle image simulée ne va pas seulement aiguiser nos appétits en tant que « fans » d’astronomie, elle fait partie d’une nouvelle étude.

Le titre de l’étude est “Catalogues de galaxies de modèles extragalactiques réalistes profonds (DREaM): prévisions pour un champ ultra-profond romain”. L’auteur principal est Nicole Drakos, chercheuse postdoctorale à l’Université de Californie à Santa Cruz. L’Astrophysical Journal publiera l’étude.

“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 Drakos dans un communiqué de presse. “Notre étude aide à démontrer ce qu’un champ ultra-profond romain pourrait nous dire sur l’univers tout en fournissant un outil à la communauté scientifique pour tirer le meilleur parti d’un tel programme.”

Cette image de synthèse visualise 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 de son empreinte. L’encart en bas à droite zoome sur l’un des carrés de l’empreinte de Roman, et l’encart en bas à gauche zoome encore plus loin. 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. Crédit image : Nicole Drakos, Bruno Villasenor, Brant Robertson, Ryan Hausen, Mark Dickinson, Henry Ferguson, Steven Furlanetto, Jenny Greene, Piero Madau, Alice Shapley, Daniel Stark, Risa Wechsler

C’est une erreur de se concentrer uniquement sur la taille des images et sur le nombre de galaxies qu’elles contiennent. Ce n’est pas un concours. Ce sont les informations sur l’Univers qui sont la partie intrigante.

“Le Hubble Ultra Deep Field 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 vraiment le cosmos à l’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 à quoi ressemblait l’univers primitif et ouvrant de nouvelles opportunités scientifiques.

L’équipe à l’origine de l’image simulée a également créé un site web avec une image zoomable explorer.

Un rendu du télescope romain Nancy Grace qui a été publié par la NASA en mai 2020. Crédit d'image : par la NASA (projet WFIRST et Dominic Benford) - Adapté de https://www.nasa.gov/press-release/nasa-to- make-announcement-about-wfirst-space-telescope-mission, domaine public, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=90474189
La NASA a publié ce rendu du télescope romain Nancy Grace en mai 2020. Crédit d’image : par la NASA (projet WFIRST et Dominic Benford) – Adapté de https://www.nasa.gov/press-release/nasa-to-make-announcement -about-wfirst-space-telescope-mission, domaine public, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=90474189

Les propriétaires d’appareils photo savent qu’ils doivent choisir entre un objectif grand angle qui capture un FOV plus large ou un objectif à angle plus étroit pour faire la mise au point sur des sujets individuels. Une chose similaire se produit en astronomie. Des télescopes puissants peuvent capturer des images plus profondes et plus détaillées, nécessitant des expositions plus longues. C’est ainsi que Hubble a capturé ses images DF et UDF. Ce n’est pas toujours facile à réaliser car l’observation du temps dans les observatoires du monde est une denrée très convoitée.

Mais le télescope romain est différent.

Son champ de vision extrêmement large, combiné à ses capacités infrarouges, permet de contourner ce problème.

Le résultat de toute cette puissance sera une image contenant des millions de galaxies de tous âges. Il montrera de jeunes et petites galaxies qui commencent tout juste à former des étoiles. Ces galaxies sont d’un grand intérêt pour les astronomes, comme tout ce qui concerne l’Univers primitif. Les astronomes compareront ces jeunes à des galaxies modernes plus massives qui forment à peine de nouvelles étoiles et apprendront l’évolution des galaxies à partir de la comparaison.

Il y a d’énormes lacunes dans notre connaissance de l’évolution galactique, et la puissance à champ large du NGRST montrera les galaxies dans leur environnement. Les chercheurs sonderont les galaxies et leur environnement pour voir comment elles affectent l’évolution galactique et la formation des étoiles.

Une partie passionnante de cela concerne les galaxies massives qui n’ont plus beaucoup de formation d’étoiles actives. On les appelle des galaxies quiescentes, et elles sont difficiles à trouver plus loin dans le temps, les astronomes les recherchent. “Nous ne savons pas si nous n’avons pas détecté de galaxies au repos très éloignées parce qu’elles n’existent pas ou simplement parce qu’elles sont si difficiles à trouver”, a déclaré Drakos.

Mais Drakos et les autres auteurs de l’article pensent que le télescope romain pourrait changer cela. Ils espèrent pouvoir trouver jusqu’à 100 000 de ces galaxies au repos et que certaines d’entre elles seront les plus éloignées jamais vues.

“C’est incroyable de penser que personne ne savait avec certitude si d’autres galaxies existaient jusqu’à il y a environ cent ans.”

Bruno Villasenor, U of C Santa Cruz, co-auteur de l’étude.

Le NGRST devrait également aider les astronomes à aborder un autre question brûlante en astronomie concernant l’époque de la réionisation (EoR.)

Après le Big Bang, l’Univers était un plasma chaud dense, opaque à la lumière. Les astronomes se réfèrent parfois à cette première période de l’Univers comme «l’âge cosmique des ténèbres». Au fur et à mesure que l’Univers s’est agrandi et refroidi, ces âges sombres ont pris fin. L’EoR a suivi entre 600 millions et 900 millions d’années après le Big Bang. Des atomes d’hydrogène neutres pourraient se former maintenant, et des galaxies et des quasars ont commencé à se former pendant l’EoR. Il y eut de la lumière et l’âge des ténèbres prit fin.

Sonder les débuts de l’Univers est difficile. Mais les astronomes pensent que les rayonnements ionisants des premières galaxies ont causé l’EoR et mis fin à l’âge des ténèbres. C’est là qu’intervient le télescope romain.

Si, comme le prédisent les auteurs de cet article, le NGRST peut trouver jusqu’à 10 000 de ces premières galaxies et les étudier dans leur environnement, ils pourraient être en mesure de déterminer si les premières galaxies ont ionisé l’Univers et mis fin à l’âge sombre.

Cette illustration montre la chronologie de l'Univers.  Crédit : NASA, ESA et A. Feild (STScI)
Cette illustration montre la chronologie de l’Univers. Crédit : NASA, ESA et A. Feild (STScI)

“L’EoR est la frontière finale pour les enquêtes sur les galaxies”, écrivent les auteurs dans leur article. « Étant donné la difficulté de mesurer les galaxies à des décalages vers le rouge élevés, cette période de l’histoire de l’univers est remarquablement libre. Les galaxies de faible masse à décalage vers le rouge élevé étaient probablement la principale source de photons ionisants dans l’EoR, et les observations indiquent que la réionisation était un processus « inégal ». Pour bien comprendre l’EoR, nous avons besoin d’un recensement complet des galaxies et de leur contribution aux photons ionisants.

Le Roman est si puissant qu’il peut résoudre rapidement le problème EoR.

“Roman pourrait éclairer tant de mystères cosmiques en seulement quelques centaines d’heures d’observation”, a déclaré Bruno Villasenor, étudiant diplômé à l’Université de Californie à 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 environ cent ans. Aujourd’hui, Roman nous offre l’opportunité d’observer des milliers des premières galaxies apparues au tout début de l’univers !

Le NGRST ne sera pas le seul à aborder l’âge des ténèbres et l’EoR. Le télescope spatial James Webb est en route vers son point de LaGrange, et il semble que les pare-soleil et les miroirs du télescope se soient déployés avec succès. Sa puissance d’observation infrarouge sondera l’Univers primitif et l’EoR, donc au moment où le NGRST sera opérationnel, cette première période de l’histoire de l’Univers pourrait être plus étroitement limitée.

Quoi qu’il en soit, il semble que nous soyons sur le point de progresser sur l’une des questions les plus urgentes de la cosmologie.

Mais nous pouvons aussi prendre du recul par rapport à toute cette science approfondie. Nous pouvons simplement profiter des images du télescope romain. Espérons qu’ils enflammeront notre sens de l’émerveillement.

Tout comme Hubble l’a fait.

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