An european team, led by a researcher from Paris Observatory, mapped a region of half a square degree with the IRAM-30m bolometer, searching for dust emission in a possible debris disk around a nearby star, at 1.2mm wavelength. They found a bright source in the field, so rare that the probability to find it was less than 7%. Since this source had no obvious optical counterpart, they thought of a hidden young stellar object, enshrouded by a possible cloud of molecules and dust. The young stars still embedded in their gas and dust cocoon, are indeed revealed only by their millimetric emission of the dust they heat. In this hypothesis, there should exist a nearby cloud of molecular gas, in which the emission lines of the CO molecules is the tracer easiest to detect. The search of CO lines with the KOSMA 3-meter telescope was unsuccessful. There does exist a dust source, but no nearby (unshifted) molecules. The team then undertook an exciting search for a very remote (redshifted) galaxy, that could be a very luminous object in the early universe. Molecular lines in the millimeter domain are one of the best mean to find the redshift, and therefore the distance and nature of such an object. The search was made possible thanks to a sophisticated receiver with a wide bandwidth (EMIR), newly installed at the IRAM telescope, allowing almost 8 GHz instantaneous width. In such a large frequency interval, it is not unlikely to find one of the rotational lines of the CO molecule. The spacing between successive lines is even reduced by the redshift, making the search more easy. However the detection of at least two lines are required for any identification. The search started with a scan of the whole 3 mm band, which requires 5 tunings of 2hours integration each. The astronomers were lucky enough, and found a first line after only 20 minutes integration during the 3rd tuning. At this stage, they made hypotheses about which CO line had been detected, and inferred what was the optimal tuning at higher frequency to confirm and definitely determine the redshift. The first line was the CO(4-3) and the second the CO(6-5) (see Figure 1). An accurate value of the redshift was then obtained : z = 3.92960 ± 0.00013. Finally, three CO lines and two lines of atomic carbon have been detected.

Figure 1 : Les trois raies de rotation de CO détectées, CO(4-3), CO(6-5), CO(7-6) et les deux raies de l’atome de carbone (C I). L’échelle verticale est la temperature "main beam" Tmb en mK. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

The analysis of the spectral energy distribution (cf Figure 2) shows that the bulk of the dust is heated at Tdust = 45K. From the observed CO lines, the mass of the gas is derived between 1.9 and 11x1011 . This value is much larger than what is expected for a galaxy, therefore it likely results from a large amplification by a lens. The moderate CO line excitation allows to exclude a dominant heating by nuclear activity (i.e. accreting black hole).

Figure 2 : Gauche Répartition spectrale de l’énergie dans MM 18423+5938, superposée à un modèle de l’émission de la poussière pour une galaxie à z=3.93. Le modèle est fait de trois composantes, les gros grains à T=45K, contenant la majeure partie de la masse (ligne pointillée), les grains très petits à une température plus chaude (point-tiret), et les grosses molécules PAH (tirets). Droite Résumé des intensités des raies de CO, comparées avec un modèle d’excitation. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Follow up observations at high spatial resolution are now in order to search for multiple images and signatures of lensing, to better characterize this exceptional source MM 18423+5938. According to the amplification factor, the source could be a simple Luminous Infrared Galaxy (LIRG), like the interacting galaxies "The Antennae", in Figure 3a, or an Ultraluminous Infrared Galaxy, like the merging system Arp 220, in Figure 3b, or an hyperluminous sub-millimeter system. We can expect that the object splits into several gravitational images, like the Cloverleaf quasar, of Figure 3c, or is blown out in an Einstein ring, cf Figure 3d.

Figure 3 : a Image des galaxies en interaction "Les Antennes", qui sont des Galaxies Infrarouges Lumineuses (LIRG), obtenue par le télescope spatial Hubble. Redshift z=0.006. b Image en proche infrarouge obtenue par le télescope spatial Hubble du couple de galaxies en fusion Arp 220, une Galaxie Infrarouge Ultralumineuse (ULIRG). Redshift z=0.02. c Le quasar du "Trèfle àquatre feuilles", composé de 4 images gravitationnelles : en vert le gaz HCN détecté en radio, superposé àl’image du télescope spatial Hubble. Redshift z=2.56. d L’anneau d’Einstein PSS J2322+1944, observé en raie CO(2-1) avec l’interferomètre du VLA (crédit NRAO). Redshift z=4.12 Cliquer sur les images pour les agrandir

Reference Discovery of an Extremely Bright Sub-Millimeter Galaxy at z=3.93 J.-F. Lestrade (Obs-Paris), F. Combes (Obs-Paris), P. Salomé (Obs-Paris), A. Omont (IAP), F. Bertoldi (Bonn), P. André (CEA), N. Schneider (CEA) Astronomy and Astrophysics, accepted for publication Contact Jean-Francois Lestrade (Observatoire de Paris, LERMA et CNRS)

Francoise Combes (Observatoire de Paris, LERMA et CNRS)

Philippe Salomé (Observatoire de Paris, LERMA et CNRS)

Dernière modification le 4 mars 2013

Une équipe européenne, conduite par un chercheur de l’Observatoire de Paris, a cartographié une région d’un demi degré carré avec le bolomètre du télescope de 30m de l’IRAM, recherchant l’émission de la poussière dans un hypothétique disque de débris autour d’une étoile proche, à la longueur d’onde de 1.2mm. Elle a trouvé une source lumineuse dans ce champ ou la possibilité d’en trouver une n’était que de 7%. Cette source n’ayant aucune contre-partie optique évidente, ils ont pensé à une jeune étoile cachée par un nuage de molécules et de poussière. Les jeunes étoiles, encore enfouies dans leur cocon de gaz et de poussière, ne sont en effet révélées que par l’émission en millimétrique de la poussière qu’elles chauffent. Dans cette hypothèse, il devrait exister un nuage de gaz moléculaire proche, dont les raies d’émission des molécules CO est le traceur le plus facile à détecter. La recherche de raies CO avec le télescope KOSMA de 3 mètres de diamètre n’a rien donné. Il y a donc bien une source de poussière, mais pas de molécules proches. L’équipe a alors entrepris la recherche passionnante d’une possible galaxie très distante, qui pourrait être un objet très lumineux de l’univers jeune. Les raies moléculaires dans le domaine millimétrique sont l’un des meilleurs moyens de trouver le redshift, et donc la distance et la nature d’un tel objet. La recherche a été rendue possible grâce à un récepteur perfectionné à grande largeur de bande (EMIR), nouvellement installé sur le télescope de l’IRAM, possédant une largeur instantanée de presque 8 gigahertz. Dans un si grand intervalle de fréquence, il n’est pas improbable de trouver une des raies de rotation de la molécule de CO. L’espacement entre les raies successives est même réduit par le redshift, facilitant la recherche. Cependant la détection d’au moins deux raies est nécessaire pour toute identification. La recherche a commencé par un balayage de toute la bande à 3 millimètres, ce qui exige 5 réglages de fréquence, de 2 heures d’intégration chacun. Les astronomes ont eu de la chance, et ont trouvé une première raie après seulement 20minutes d’intégration pendant le 3ème réglage. À ce stade, ils ont fait des hypothèses, à savoir quelle raie de CO avait été détectée, et ont déduit quel était le réglage optimal à plus haute fréquence pour confirmer et déterminer définitivement le redshift. La première raie était CO(4-3) et la deuxième CO(6-5) (voir Figure 1). On a pu ainsi obtenir une détermination très précise du redshift : z = 3.92960 ± 0.00013. En tout, trois raies de CO et deux raies du carbone atomique ont été détectées.

Figure 1 : Les trois raies de rotation de CO détectées, CO(4-3), CO(6-5), CO(7-6) et les deux raies de l’atome de carbone (C I). L’échelle verticale est la temperature "main beam" Tmb en mK. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

L’analyse de la répartition spectrale de l’énergie (cf Figure 2) prouve que la majorité de la poussière est chauffée à une température de 45K. A partir des raies observées de CO, on obtient une masse de gaz comprise entre 1.9 et 11x1011. Cette valeur est beaucoup plus grande que ce à quoi on s’attend pour une galaxie, et le flux observé résulte probablement d’une puissante amplification par une lentille gravitationnelle. L’excitation modérée des raies de CO exclut un chauffage dominé par l’activité nucléaire d’un trou noir.

Figure 2 : Gauche Répartition spectrale de l’énergie dans MM 18423+5938, superposée à un modèle de l’émission de la poussière pour une galaxie à z=3.93. Le modèle est fait de trois composantes, les gros grains à T=45K, contenant la majeure partie de la masse (ligne pointillée), les grains très petits à une température plus chaude (point-tiret), et les grosses molécules PAH (tirets). Droite Résumé des intensités des raies de CO, comparées avec un modèle d’excitation. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

D’autres observations à plus haute résolution spatiale doivent maintenant être engagées, afin de rechercher des images multiples et des signatures de la lentille gravitationnelle, pour mieux caractériser cette source exceptionnelle MM 18423+5938. Selon le facteur d’amplification, la source pourrait être une galaxie infrarouge lumineuse simple (LIRG), comme les galaxies en interaction des « Antennes », de la figure 3a, ou une galaxie Infrarouge Ultralumineuse (ULIRG) comme le système de galaxies en fusion Arp 220, de la figure 3b, ou un système submillimétrique hyperlumineux. Nous pouvons aussi prédire que l’objet va nous apparaître sous la forme de plusieurs images, comme le quasar du "Trèfle à quatre feuilles", de la figure 3c, ou va s’étaler dans un anneau d’Einstein, comme dans la figure 3d.

Figure 3 : a Image des galaxies en interaction "Les Antennes", qui sont des Galaxies Infrarouges Lumineuses (LIRG), obtenue par le télescope spatial Hubble. Redshift z=0.006. b Image en proche infrarouge obtenue par le télescope spatial Hubble du couple de galaxies en fusion Arp 220, une Galaxie Infrarouge Ultralumineuse (ULIRG). Redshift z=0.02. c Le quasar du "Trèfle àquatre feuilles", composé de 4 images gravitationnelles : en vert le gaz HCN détecté en radio, superposé àl’image du télescope spatial Hubble. Redshift z=2.56. d L’anneau d’Einstein PSS J2322+1944, observé en raie CO(2-1) avec l’interferomètre du VLA (crédit NRAO). Redshift z=4.12 Cliquer sur les images pour les agrandir

Référence Discovery of an Extremely Bright Sub-Millimeter Galaxy at z=3.93 J.-F. Lestrade (Obs-Paris), F. Combes (Obs-Paris), P. Salomé (Obs-Paris), A. Omont (IAP), F. Bertoldi (Bonn), P. André (CEA), N. Schneider (CEA) Astronomy and Astrophysics, accepté pour publication Contact Jean-Francois Lestrade (Observatoire de Paris, LERMA et CNRS)

Francoise Combes (Observatoire de Paris, LERMA et CNRS)

Philippe Salomé (Observatoire de Paris, LERMA et CNRS)

Dernière modification le 22 février 2013