Balmer à 364,6 nm indique la domination d’étoiles d’âges intermédiaires (∼ 0, 2−1 Gyr, étoiles A et F) alors que le break à 400 nm est causé par l’absorption par les métaux ionisés dans l’atmosphère des étoiles plus vieilles (G, K et M). Le principal inconvénient avec les galaxies sélectionnées dans le proche IR est lié à leur faible luminosité optique dans les filtres à bande large (généralement plus faibles que R=25,5) et seules les plus brillantes avec des raies d’émission ont des spectres avec un rapport signal à bruit raisonnablement élevé, obtenu avec les spectrographes dans le proche IR (voir par exemple Förster Schreiber et al. 2009 ; Onodera et al. 2010). Il en résulte que ces galaxies sont pour la plupart identifiées par des techniques de redshifts photométriques et les échantillons sont en réalité constitués d’un mélange de galaxies à formation stellaire éteinte, ou ayant passé le pic de formation stellaire. Le contenu stellaire de la plupart des galaxies passives à z ∼ 2 apparait significativement plus large que celui des LBG, ce qui apporte une grande incertitude sur le contenu stellaire à grand décalage spectral.
Les émetteurs Lyman-α
Des filtres à bande étroite à des longueurs d’onde ajustées pour éviter les raies OH du ciel fournissent également un moyen puissant de détecter l’émission Ly-α des galaxies jusqu’à des grands décalages spectraux. On nomme alors ces galaxies des émetteurs Lyman-α (LAE). La principale difficulté est d’éviter les confusions possibles avec d’autres raies d’émission à des décalages spectraux plus faibles comme [OII](372,7), [OIII](500,7) ou Hα, d’où la nécessité d’un critère supplémentaire, comme la présence d’un break Lyman dans un filtre bleu. Lorsque le décalage spectral augmente, cela requiert de l’imagerie large bande profonde car les spectres des LAEs montrent une forte raie d’émission généralement associée à un continu très faible. Plusieurs milliers de LAEs de z = 2 à z = 7 ont été identifiées jusqu’à maintenant. A z ∼ 3, 20 à 30% des LBGs de Shapley et al. (2003) sont des LAEs et réciproquement 23% des LAEs sont des LBGs. Cette superposition entre les deux populations dépend de toute la complexité de l’émission Ly-α incluant N(HI) et la poussière (Verhamme et al., 2008) et dépend peut-être aussi de l’orientation de la galaxie par rapport à l’observateur (Dijkstra et Wyithe, 2010).
5.2
MOSAIC : un nouveau concept de spectrographe 3D multi-
objets pour l’E-ELT
A partir des différentes questions scientifiques auxquelles l’E-ELT devra répondre, plusieurs objectifs scientifiques ont été identifiés spécifiquement pour un ELT-MOS, motivant sa définition technique. Le détail de ces différents cas scientifiques, énumérés ci-après, peut être trouvé dans le White Paper (Evans et al. 2014 ; Evans et al. 2015) auquel ont contribué les membres du consortium réuni autour de l’instrument MOSAIC.
Détection et études des toutes premières galaxies : La lumière des toutes premières galaxies a mis plus de 13 milliards d’années à nous parvenir. L’étude de leur spectre nous apporte ainsi des indices précieux pour comprendre l’état de l’Univers lors de sa résionisation, phase pendant laquelle le gaz est passé d’un état neutre à un état totalement ionisé.
Evolution des structures à grande échelle et cartographie du milieu inter-galactique : Le gaz situé dans le milieu intergalactique constitue le réservoir de matière première à partir duquel les embryons de galaxies peuvent se former, et dont les galaxies actuelles se nourrissent pour former
des nouvelles générations d’étoiles. Un ELT-MOS devra fournir pour la première fois une carte tri-dimensionnelle de la structure de ce gaz jusqu’à des grandes échelles.
Assemblage de la masse et évolution des galaxies à travers les âges cosmiques : L’étude des propriétés physiques et chimiques des galaxies à travers tous les âges de l’Univers observable est une clé pour comprendre l’origine des galaxies massives actuelles, telles la Voie Lactée ou Andromède. Les moyens actuels d’observation ne permettent pas de détecter les galaxies de plus faible masse au delà de z ∼ 0, 5 (voir première partie de cette thèse), que ce soit les galaxies naines ou à faible brillance de surface, supposées pourtant jouer un rôle majeur dans l’évolution des galaxies. Un ELT-MOS devra pouvoir inventorier puis analyser ces populations de galaxies jusqu’à des décalages spectraux élevés (z ∼ 2 − 3).
Les trous noirs super-massifs : On sait que la plupart des galaxies spirales actuelles abritent en leur sein un trou noir supermassif. Une question essentielle pour les astronomes est de comprendre les processus d’auto-régulation et de croissance de ces trous noirs et de leurs galaxies hôtes. On pense que ces processus seraient liés à des flux intenses produits par les noyaux actifs de galaxie et à des éjections de supernovae. L’ELT-MOS pourra fournir les premiers échantillons significatifs, permettant de mesurer les paramètres physiques et géométriques de ces phénomènes.
Populations stellaires de la Voie Lactée et des galaxies proches : L’histoire évolutive des galaxies est gravée dans leurs populations stellaires, à travers l’âge des étoiles, leur abondance chi- mique et leur cinématique. Seule la spectroscopie permet une estimation robuste de ces propriétés, ensuite confrontées aux modèles théoriques d’évolution des galaxies. Actuellement, il n’est possible d’étudier directement ces propriétés que pour un nombre très limité d’étoiles. L’ELT-MOS devra permettre l’étude des plus vieilles populations stellaires de la Voie Lactée et des galaxies environ- nantes, jusqu’à quelques Mpc, ce qui fournira des estimations directes d’abondances chimiques pour un large volume de l’Univers local.
Exploration du centre de la Voie Lactée : Un des résultats les plus spectaculaires de la dernière décennie est l’observation des orbites des étoiles autour de Sgr A*, le trou noir massif situé au centre de notre Galaxie. Autour de cette région centrale se trouvent des structures de gaz et de poussière associées à de la formation stellaire, mais actuellement inaccessibles avec les moyens d’observation dont on dispose. L’ELT-MOS devra fournir une première lumière sur les conditions physiques qui règnent dans ces régions.
Formation des planètes dans différents environnements : Si le nombre d’exoplanètes connues continue d’augmenter rapidement, cela pose de nombreuses questions relatives à l’importance de l’environnement dans leur processus de formation, en particulier de la densité stellaire et de la métallicité. Il sera possible avec L’ELT-MOS d’analyser un grand nombre d’exoplanètes par la mé- thode des vitesses radiales, dans des environnements considérablement plus variés que ce qu’il est possible de faire avec les moyens d’observation actuels, en particulier dans des amas globulaires et des amas ouverts. Ceci permettra d’explorer une large gamme de densités stellaires et de métallicités. Les objectifs scientifiques couverts par l’ELT-MOS ont ainsi mis en évidence le besoin de deux modes d’observations pour exploiter au mieux le grand champ de vue de l’E-ELT, ≥ 40 minutes d’arc au carré (Hammer et al., 2014). Le premier mode consiste à effectuer de la spectroscopie intégrée
5.3. DES CONTRAINTES SCIENTIFIQUES AUX CONTRAINTES INSTRUMENTALES