Dans l’histoire de la formation d’étoiles de l’Univers, il apparaît un grand maximum d’activité entre les redshifts z=1 et z=3, ce qui correspond aux époques 2 à 6 milliards d’années après le Big-Bang. Ces flambées de formation d’étoiles rayonnent essentiellement grâce à leur poussière chauffée par les étoiles jeunes enfouies dans leur cocon. Cette émission a son maximum autour de 0.1 mm de longueur d’onde dans le référentiel de la galaxie, et peut-être détectée entre 0.2 et 0.4 mm, une fois décalée vers le rouge par l’expansion de l’Univers. S’il y avait des galaxies primordiales encore plus éloignées, on devrait pouvoir les détecter entre 0.5 et 1mm de longueur d’onde, le domaine submillimétrique. Pourtant, très peu ont été détectées jusqu’à présent.

Figure 1 : L’ image de fond (en grisé) est une photo de l’amas de galaxies Abell 773 (z=0.22) en longueur d’onde visible obtenue ave le télescope Subaru, àHawaii. La galaxie du centre (tache grise) est pourtant une galaxie qui n’appartient pas à l’amas, dont le spectre a été obtenu avec le Keck, avec un redshift z=0.63. Il s’agit de la galaxie-lentille, qui contribue à l’essentiel de l’amplification gravitationnelle. La galaxie lointaine a d’abord été repérée par sa forte émission en infrarouge lointain et submillimétrique, grâce au satellite Herschel  : contours rouges, à 0.5mm, et contours verts à 0.25mm de longueur d’onde. Les contours noirs correspondent à l’émission à 0.9mm, détectée par le SMA (SubMillimeter Array, Hawaii). Les contours de l’émission CO(2-1) obtenus au EVLA ont la même forme. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Pour explorer ces galaxies primordiales, l’équipe d’astronomes a observé, avec le satellite infrarouge et submillimétrique Herschel, des centaines d’amas de galaxies. Ceux-ci servent de "télescope gravitationnel", grâce à leur effet de lentille. Dans le domaine de longueur d’onde considéré, les galaxies d’avant plan dans les amas ne contribuent que de façon négligeable à l’émission, et les galaxies lointaines, si elles existent, doivent dominer. C’est en observant l’amas de galaxies Abell 773, qu’une source extrêmement brillante a été détectée. Le redshift d’Abell 773 est de z=0.22, ce qui équivaut à une distance d’environ 3 milliards d’années-lumière de nous.

Figure 2 : Les spectres de plusieurs transitions de la molécule CO, de la molécule d’eau H2O, de l’atome de carbone CI, et de l’azote ionisé

Une fois repérée cette forte source millimétrique en continuum, l’équipe a entrepris de déterminer sa distance et sa nature, par un suivi au sol. L’interféromètre SMA a permis de préciser la position, avec une résolution de 2 secondes d’arc (Figure 1). L’image visible obtenue avec le télescope Subaru montre une galaxie d’avant-plan qui se trouve à environ 1 seconde d’arc au Nord. Le spectre optique de cette galaxie a été obtenu sur le télescope Keck II avec DEIMOS, et, surprise, la galaxie n’appartient pas à l’amas Abell 773, mais se trouve plus éloignée à z=0.63. C’est pourtant cette galaxie qui contribue à l’essentiel de l’amplification gravitationnelle. Etand donné© les contours allongés Nord-Sud de l’objet vu par les instruments SMA et EVLA, sans doute la séparation des images gravitationnelles de la source est de l’ordre de 2". Cela permet de faire un modèle approché de lentille, et d’en déduire un facteur d’amplification de 11.

Figure 3 : Distribution d’énergie dans les raies du monoxyde de carbone (échelle des niveaux de rotation de la molécule CO). Le flux de chaque raie est porté en fonction du niveau élevé J de la transition. Les deux composantes de vitesses (rouge et bleue) ont la même distribution avec un maximum à J=6. Par comparaison, La Voie Lactée (MW en bleu) a son maximum à J=2-3, et les galaxies en interaction Les Antennes (Ant en rouge) entre J=3-4. D’autres galaxies (M82 en vert, Mrk231 en violet) ont aussi des maximums à J élevé, et sont des flambées de formation d’étoiles, parfois accompagnées de quasars. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Enfin la source a été observée avec le télescope de 30m de l’IRAM, et l’interféromètre du Plateau de Bure. Le récepteur à grande bande EMIR a permis d’explorer rapidement une grande bande de fréquences, entre 81 et 115 GHz, et de détecter plusieurs raies de la molécule CO, qui donnent ainsi le redshift de la source z=5.243 (cf Figure 2). Cette source hyper-lumineuse s’est formée un milliard d’années à peine après le Big-Bang  ! Les deux composantes en vitesses suggèrent la présence de deux galaxies en interaction. La haute excitation de la molécule CO indique la présence d’une flambée de formation d’étoiles, et peut-être un noyau actif (Figure 3). C’est la première fois que la raie [NII]205micron est détectée à grand redshift. Cette raie qui trace le gaz ionisé, présente une composante décalée vers le bleu très développée, qui suggère un flot de gaz ionisé important, correspondant aussi à des ailes de raie dans les spectres des molécules  : sans doute une éjection forte de gaz, due aux supernovae et vents stellaires. Cette source hors du commun va être étudiée maintenant plus en détail, avec haute résolution spatiale. Référence A bright z=5.2 lensed submillimeter galaxy in the field of Abell 773 : HLSJ091828.6+514223 F. Combes (Obs-Paris), M. Rex (Tucson), T. D. Rawle (Tucson), E. Egami (Tucson), F. Boone (Toulouse), I. Smail (Durham), J. Richard (Lyon), R.J. Ivison (Edinburgh), M. Gurwell (Harvard), C.M. Casey (Hawaii), A. Omont (IAP-Paris), A. Berciano Alba (ASTRON), M. Dessauges-Zavadsky (Geneva), A.C. Edge (Durham), G.G. Fazio (Harvard), J-P. Kneib (Marseille), N. Okabe (Taipei), R. Pello (Toulouse), P. G. Perez-Gonzalez (Madrid), D. Schaerer (Geneva), G.P. Smith (Birmingham), A.M. Swinbank (Durham), P. van der Werf (Leiden) Astronomy and Astrophysics, sous presse

Contact Francoise Combes (Observatoire de Paris-LERMA, CNRS)

Dernière modification le 22 février 2013

In the star formation history of the Universe, it appears a great maximum of activity between the redshifts z=1 and z=3, which corresponds to epochs 2 to 6 billion years after the Big-bang. These starbursts radiate primarily thanks to their dust heated by young stars hidden in their cocoon. This emission has its maximum around 0.1 mm in wavelengthin the reference frame of the galaxy, and can be detected between 0.2 and 0.4 mm, once redshifted by the expansion of the Universe. If there exist primordial galaxies even more remote, one should be able to detect them between 0.5 and 1mm in wavelength, the submillimeter domain. However, very little was detected until now.

Figure 1 : L’ image de fond (en grisé) est une photo de l’amas de galaxies Abell 773 (z=0.22) en longueur d’onde visible obtenue ave le télescope Subaru, àHawaii. La galaxie du centre (tache grise) est pourtant une galaxie qui n’appartient pas à l’amas, dont le spectre a été obtenu avec le Keck, avec un redshift z=0.63. Il s’agit de la galaxie-lentille, qui contribue à l’essentiel de l’amplification gravitationnelle. La galaxie lointaine a d’abord été repérée par sa forte émission en infrarouge lointain et submillimétrique, grâce au satellite Herschel  : contours rouges, à 0.5mm, et contours verts à 0.25mm de longueur d’onde. Les contours noirs correspondent à l’émission à 0.9mm, détectée par le SMA (SubMillimeter Array, Hawaii). Les contours de l’émission CO(2-1) obtenus au EVLA ont la même forme. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

To explore these primordial galaxies, the team of astronomers has carried out a survey, with the infrared and submillimeter satellite Herschel, of hundreds of galaxy clusters. Those are used as " gravitational telescope", thanks to their lensing effect. In the wavelength domain considered, the foreground galaxies contribute only in a negligible way to the emission, and the remote galaxies, if they exist, must dominate. By observing the galaxy cluster Abell 773, an extremely bright source was detected. The redshift of Abell 773 is z=0.22, which places it at a distance of about 3 billion light-years from us.

Figure 2 : Les spectres de plusieurs transitions de la molécule CO, de la molécule d’eau H2O, de l’atome de carbone CI, et de l’azote ionisé

Once this strong submillimeter source detected in continuum, the team undertook to determine its distance and its nature, by a follow-up on the ground. The SMA interferometer allowed to precise the position, with a 2 arcseconds resolution (Figure 1). The visible image obtained with the Subaru telescope shows a foreground galaxy which is approximately 1 arcsecond North. The optical spectrum of this galaxy was obtained on the Keck II telescope with DEIMOS, and, surprise, the galaxy does not belong to the cluster Abell 773, but is more distant with z=0.63. It is however this galaxy which contributes to the bulk of the gravitational amplification. Considering the North-South elongated contours of the source seen with SMA, and also EVLA, undoubtedly the separation of the gravitational images of the source is of order of 2". This allows to make a approximate model of the lens, and deduce an amplification factor of 11.

Figure 3 : Distribution d’énergie dans les raies du monoxyde de carbone (échelle des niveaux de rotation de la molécule CO). Le flux de chaque raie est porté en fonction du niveau élevé J de la transition. Les deux composantes de vitesses (rouge et bleue) ont la même distribution avec un maximum à J=6. Par comparaison, La Voie Lactée (MW en bleu) a son maximum à J=2-3, et les galaxies en interaction Les Antennes (Ant en rouge) entre J=3-4. D’autres galaxies (M82 en vert, Mrk231 en violet) ont aussi des maximums à J élevé, et sont des flambées de formation d’étoiles, parfois accompagnées de quasars. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Finally the source was observed with the 30m telescope of IRAM, and also the Plateau de Bure. The wide band receiver EMIR allowed to explore quickly a large bandwidth, between 81 and 115 GHz, and to detect several lines of the CO molecule, which give thus the redshift of the source z=5.243 (cf Figure 2). This hyper-luminous source was formed only a billion years after the Big-bang  ! The two velocity components suggest the presence of two galaxies in interaction. The high excitation of the CO molecule indicates the presence of a starburst, and perhaps an active nucleus (Figure 3). It is the first time that the [NII]205micron line is detected at high redshift. This line which traces ionized gas, reveals a quite developed blue velocity component, which suggests a significative ionized gas flow, corresponding to line wings in the molecular spectra : undoubtedly a strong gas ejection, due to supernovas and stellar winds. This outstanding source will be studied now in more detail, with high spatial resolution.

Reference A bright z=5.2 lensed submillimeter galaxy in the field of Abell 773 : HLSJ091828.6+514223 F. Combes (Obs-Paris), M. Rex (Tucson), T. D. Rawle (Tucson), E. Egami (Tucson), F. Boone (Toulouse), I. Smail (Durham), J. Richard (Lyon), R.J. Ivison (Edinburgh), M. Gurwell (Harvard), C.M. Casey (Hawaii), A. Omont (IAP-Paris), A. Berciano Alba (ASTRON), M. Dessauges-Zavadsky (Geneva), A.C. Edge (Durham), G.G. Fazio (Harvard), J-P. Kneib (Marseille), N. Okabe (Taipei), R. Pello (Toulouse), P. G. Perez-Gonzalez (Madrid), D. Schaerer (Geneva), G.P. Smith (Birmingham), A.M. Swinbank (Durham), P. van der Werf (Leiden) Astronomy and Astrophysics, in press

Contact Francoise Combes (Observatoire de Paris-LERMA, CNRS)

Dernière modification le 4 mars 2013