Après le lancement réussi du télescope spatial Nancy Grace Roman le 30 août, un chercheur de l’Université du Kansas co-dirigera l’une de ses grandes expériences inaugurales, appelée GRACE : le Grism Reionization and Cosmic Evolution Survey.
« Le télescope spatial Nancy Grace Roman que nous appelons « Roman » en abrégé est mille fois plus rapide que le télescope spatial Hubble pour collecter des données sur de vastes portions du ciel », a déclaré Gregory Rudnick, professeur de physique et d’astronomie à l’Université du Kansas (KU), qui sera co-responsable de GRACE. « J’ai travaillé avec des collègues du Goddard Space Flight Center et une grande équipe de chercheurs internationaux pour rédiger une proposition visant à observer pendant 420 heures avec Roman, couvrant une zone dix fois plus vaste que la pleine Lune dans le ciel. »
Rudnick a ajouté que GRACE prendra les spectres de chaque galaxie de cette vaste zone en exposant pendant 40 heures à chaque emplacement. Les spectres décomposent la lumière de chaque galaxie en ses couleurs individuelles et permettront à l’équipe de mesurer de nombreuses propriétés des galaxies.
« Les images et les spectres de GRACE permettront aux chercheurs d’établir une carte 3D détaillée de l’univers », a-t-il précisé. « Pour des centaines de milliers de galaxies de cette carte, les membres de l’équipe GRACE mesureront des propriétés précises telles que leurs distances, la composition en éléments qu’elles renferment, leur rythme de formation de nouvelles étoiles et leurs formes détaillées. Cette combinaison de spectroscopie ultrasensible sur une grande zone du ciel est sans précédent et révolutionnera notre connaissance de l’univers lointain. En observant des galaxies lointaines, les astronomes peuvent voir à quoi elles ressemblaient lorsque l’univers était plus jeune, car la lumière de ces galaxies peut mettre des milliards d’années à voyager jusqu’à la Terre. »
GRACE est la plus vaste des cinq campagnes d’astrophysique générale acceptées par la NASA parmi 50 propositions. En plus des nouvelles données, les travaux seront soutenus à hauteur de 1,2 million de dollars par la NASA.
Selon la co-investigatrice principale Sangeeta Malhotra, astrophysicienne de recherche au Goddard, les origines du projet GRACE remontent à plus de deux décennies.
« Nous avons commencé à rêver d’un projet de ce type en 2005, dès que nous avons vu ce que Hubble pouvait faire pour les spectres des galaxies les plus anciennes et pas seulement rêver, mais aussi travailler avec des collègues pour plaider la cause d’un télescope spatial à grand champ, qui s’est finalement concrétisé sous la forme de Roman », a-t-elle raconté. « Aujourd’hui, avec la mission lancée, nous avons hâte de voir les données de GRACE. »
Les observations du projet cibleront des périodes clés de l’évolution de l’univers, connues des spécialistes sous le nom d’« aube cosmique » et de « midi cosmique ».
« La partie de la proposition que je dirige porte sur ce que nous appelons le midi cosmique », a expliqué Rudnick. « De manière contre-intuitive, nous ne l’appelons pas midi cosmique parce qu’il se situe à mi-chemin entre le début de l’univers et aujourd’hui. L’univers a 13,8 milliards d’années, et le midi cosmique couvre en réalité la période allant de 2 à 6 milliards d’années après la formation de l’univers. Cependant, c’est la période durant laquelle les galaxies de l’univers se formaient le plus rapidement. C’est midi au sens où il s’agit de l’époque culminante de la formation des galaxies. »
Parmi ses multiples objectifs scientifiques avec les données de GRACE, Rudnick étudiera les plus anciennes grandes structures de galaxies de l’univers, appelées « protoclusters ».
« Aujourd’hui, dans l’univers actuel, les galaxies sont réparties dans une grande variété de structures », a-t-il déclaré. « Il y a les amas de galaxies, qui comptent des centaines à des milliers de galaxies se déplaçant les unes autour des autres, maintenues ensemble par leur propre gravité. Il y a les groupes de galaxies, qui en comptent de quelques dizaines à quelques centaines. Il y a ensuite les galaxies situées sur des filaments, comme de longs fils qui relient ces systèmes en un réseau que nous appelons la toile cosmique. Les amas et les groupes se trouvent en quelque sorte aux nœuds, aux intersections, de cette toile cosmique. Enfin, il existe des galaxies complètement isolées, toutes seules. »
Le chercheur de KU a dit espérer comprendre comment les galaxies de ces différentes régions de l’univers sont affectées par les lieux où elles vivent.
« Nous allons examiner les toutes premières structures de galaxies formées après le Big Bang », a indiqué Rudnick. « Les protoclusters contiennent toutes les galaxies qui finiront dans un amas de galaxies actuel, mais à cette époque lointaine de l’univers, elles sont réparties sur de très vastes zones. Si je veux observer un amas de galaxies dans l’univers proche, c’est plus facile, car les galaxies sont toutes assez proches les unes des autres dans le ciel. Ce que Roman nous permet de faire, c’est d’observer des galaxies avec un détail remarquable, mais réparties sur une grande zone du ciel. »
Rudnick a déclaré espérer en savoir plus sur la manière dont ces structures sont reliées entre elles et sur la façon dont les filaments relient les unes aux autres les zones les plus denses de l’univers.
« Ce sera, de loin, la plus vaste campagne d’observation systématique jamais menée pour évaluer la toile cosmique dans l’univers lointain », a-t-il souligné.
Le résultat sera une carte 3D de l’univers qui pourrait apporter un éclairage nouveau sur la façon dont les « quartiers » cosmiques façonnent l’apparence des galaxies.
« Dans l’univers proche, les galaxies situées dans ce que nous appellerons des environnements très ruraux ressemblent à des galaxies spirales », a expliqué Rudnick. « Elles ont tendance à renfermer beaucoup de gaz, à former beaucoup d’étoiles, et elles tournent généralement comme un frisbee. Si vous vous rendez dans les régions denses, les amas et les groupes de galaxies, vous constatez que les galaxies ne forment pas de nouvelles étoiles, qu’elles n’ont pas autant de gaz, qu’elles n’ont pas formé d’étoiles depuis un certain temps. Elles tendent à être des agglomérats d’étoiles se déplaçant sur des orbites aléatoires, comme des abeilles dans un essaim. Nous appelons celles-ci des galaxies elliptiques, car dans le ciel, elles ressemblent simplement à des taches elliptiques floues. Et elles paraissent rouges car elles sont dominées par des étoiles plus âgées, qui sont plus rouges, si bien qu’elles semblent très différentes de celles des régions peu denses de l’univers. Ce que nous ne savons pas, c’est pourquoi ces galaxies sont si différentes. En observant les premières époques auxquelles les galaxies ont pu être affectées par leur environnement, GRACE réalisera des avancées fondamentales dans ce domaine. »
Bien que les détails financiers soient encore en cours de finalisation, Rudnick a indiqué que le soutien de la NASA permettra le recrutement d’un chercheur postdoctoral. De plus, les étudiants de premier cycle de KU travailleront avec les données de ce télescope spatial de pointe pendant des années à venir. Rudnick tentera également d’utiliser ces données dans un programme de vulgarisation scientifique de longue haleine qu’il anime à la Lawrence High School.
« Ce n’est pas exagéré de dire que ce programme pourrait définir mon orientation scientifique pour les cinq prochaines années, voire dix », a affirmé Rudnick. « L’un des aspects les plus marquants de GRACE est que nous apportons ces incroyables données de la NASA, prises avec le prochain observatoire-phare de l’agence, au Kansas. C’est vraiment fantastique que les chercheurs de notre État bénéficient d’un premier accès à cette recherche qui change la donne. »
Les principaux collaborateurs de Rudnick comprennent l’investigatrice principale Sangeeta Malhotra ainsi que les co-chercheurs principaux James Rhoads et Isak Wold, tous rattachés au Goddard Space Flight Center de la NASA.
Rudnick s’attend à ce que les premières données du Nancy Grace Roman arrivent quelques mois après la mise en service, les premières données propres à GRACE arrivant au cours de la première année d’opérations.
