Nébuleuses planétaires dans les galaxies lointaines


Nébuleuses planétaires dans les galaxies lointaines

La galaxie en anneau NGC 474 à une distance d’environ 110 millions d’années-lumière. La structure en anneau a été créée par la fusion de galaxies en collision. Source : DES / DOE / Fermilab / NCSA & CTIO / NOIRLab / NSF / AURA

Des chercheurs de l’Institut Leibniz d’astrophysique de Potsdam (AIP) ont utilisé les données de l’instrument MUSE pour découvrir des nébuleuses extrêmement faibles dans des galaxies lointaines. La méthode utilisée, un algorithme de filtrage dans le traitement des données d’images, ouvre de nouvelles possibilités pour la mesure de la distance cosmique – et donc aussi pour la détermination de la constante de Hubble.

Les nébuleuses planétaires sont des objets colorés proches du Soleil qui apparaissent à la fin de la vie d’une étoile, lorsqu’elle évolue d’une géante rouge à une naine blanche : lorsque l’étoile a épuisé son combustible pour la fusion nucléaire, elle souffle son enveloppe de gaz dans l’espace interstellaire se contracte, devient extrêmement chaud et fait briller l’enveloppe de gaz en expansion. Contrairement au spectre continu de l’étoile, les ions de certains éléments de cette enveloppe gazeuse, comme l’hydrogène, l’oxygène, l’hélium et le néon, n’émettent de la lumière qu’à certaines longueurs d’. Des filtres optiques spéciaux qui sont réglés sur ces longueurs d’onde peuvent rendre les nébuleuses faibles visibles. L’objet le plus proche de ce type dans notre Voie lactée est la nébuleuse de l’Hélice, à 650 années-lumière.

À mesure que la distance d’une augmente, le diamètre apparent d’une image diminue et la luminosité apparente intégrée diminue avec le carré de la distance. Dans notre galaxie voisine, la galaxie d’Andromède, la nébuleuse de l’Hélice ne serait visible que comme un point à une distance près de 4000 fois plus grande et sa luminosité apparente serait près de 15 millions de fois plus faible. Avec les grands télescopes modernes et les longs temps d’exposition, de tels objets peuvent toujours être imagés et mesurés avec des filtres optiques ou une spectroscopie d’imagerie. Martin Roth, premier auteur de la nouvelle étude et chef du département innoFSPEC à l’AIP : « Avec l’instrument PMAS développé à l’AIP, nous avons réussi pour la première fois avec la spectroscopie intégrale de champ pour une poignée de nébuleuses planétaires dans la galaxie d’Andromède au cours des années 2001 à 2002 sur le de 3,5 m de l’observatoire de Calar Alto. Cependant, le champ de vision relativement petit du PMAS ne permettait pas encore d’examiner un spécimen plus grand. »

Nébuleuses planétaires dans les galaxies lointaines

La nébuleuse planétaire NGC 7294 (« Helix Nebula »), un objet proche du soleil. Crédit photo : NASA, NOAO, ESA, Hubble Helix Nebula Team, M. Meixner (STScI) et TA Rector (NRAO)

Il a fallu une bonne vingtaine d’années pour développer davantage ces premières expériences avec un instrument plus puissant avec un champ de vision plus de 50 fois plus grand sur un télescope beaucoup plus grand. MUSE au Very Large Telescope au Chili a été développé principalement pour la découverte d’objets extrêmement faibles au bord de l’univers actuellement observable – et a fourni des résultats spectaculaires pour cela depuis les premières observations. C’est précisément cette propriété qui entre en jeu lors de la détection de PN extrêmement faibles dans une galaxie lointaine.

La galaxie NGC 474 est un exemple particulièrement beau d’une galaxie qui est entrée en collision avec d’autres galaxies plus petites pour former une structure annulaire remarquable à partir des étoiles dispersées par les effets gravitationnels. Elle se trouve à environ 110 millions d’années-lumière, environ 170 000 fois plus loin que la nébuleuse de l’hélice. La luminosité apparente d’une nébuleuse planétaire dans cette galaxie est près de 30 milliards de fois inférieure à celle de la nébuleuse de l’hélice et se situe dans la gamme des galaxies cosmologiquement intéressantes pour lesquelles l’équipe a développé l’instrument MUSE.

Nébuleuses planétaires dans les galaxies lointaines

Données d’image MUSE dans les deux champs marqués dans l’image ci-dessus de la structure en anneau de NGC 474. À gauche : Image dans le avec la bande d’étoiles non résolues et les amas globulaires marqués par des cercles. A droite : image filtrée dans la raie d’émission d’oxygène décalée vers le rouge, d’où émergent les nébuleuses planétaires comme sources ponctuelles du bruit. Les artefacts créés par les effets instrumentaux ont complètement disparu. Crédit : AIP / M. Roth

Une équipe de chercheurs de l’AIP, en collaboration avec des collègues des États-Unis, a développé une méthode pour utiliser MUSE pour isoler les signaux extrêmement faibles des nébuleuses planétaires dans les galaxies lointaines avec une haute sensibilité et pour les mesurer avec précision. Un algorithme de filtrage particulièrement efficace joue un rôle important dans le traitement des données d’image. Des données d’archives de l’ESO étaient disponibles pour la galaxie à anneau NGC 474, basées sur deux images MUSE très profondes avec un temps d’observation de 5 heures chacune. Le résultat du traitement des données : après application de l’algorithme de filtrage, un total de 15 nébuleuses planétaires extrêmement faibles sont devenues visibles.

Cette méthode très sensible ouvre une nouvelle méthode de mesure de distance, qui est appropriée pour contribuer à la solution de l’écart actuellement discuté dans la détermination de la constante de Hubble. Les nébuleuses planétaires ont la propriété de ne pas dépasser physiquement une certaine luminosité maximale. La fonction de distribution de la luminosité d’un échantillon dans une galaxie, c’est-à-dire la luminosité des nébuleuses planétaires (PNLF), s’interrompt à l’extrémité brillante. Cette propriété est celle d’une bougie standard, avec laquelle une distance peut être calculée à l’aide de méthodes statistiques. La méthode PNLF a été développée en 1989 par les membres de l’équipe George Jacoby (NOIRLab de la NSF) et Robin Ciardullo (Penn State University). Il a été appliqué avec succès à plus de 50 galaxies au cours des 30 dernières années, mais était limité par les mesures de filtre utilisées jusqu’à présent. Les galaxies plus longues que les amas de la Vierge ou du Fornax étaient hors de portée. L’étude, maintenant publiée dans Journal d’astrophysique, montre que MUSE peut atteindre plus du double de la plage, ce qui permet une mesure indépendante de la constante de Hubble.


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Plus d’information:
Martin M. Roth et al., Vers une cosmologie de précision avec une distance PNLF améliorée à l’aide du VLT-MUSEI. Méthodologie et tests, Le Journal d’Astrophysique (2021). DOI : 10.3847 / 1538-4357 / ac02ca

Fourni par l’Institut Leibniz d’Astrophysique de Potsdam

Citation: Planetary nebulae in lointain galaxies (2021, 23 juillet), consulté le 23 juillet 2021 sur https://phys.org/news/2021-07-planetary-nebulae-distant-galaxies.html

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