Champ profond de Hubble
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Le champ profond de Hubble (HDF) est une image d'une petite région dans le constellation Ursa Major, sur la base des résultats d'une série d'observations par le télescope spatial Hubble . Il couvre une superficie de 15 arcminutes à travers, soit l'équivalent de la taille angulaire à une balle de tennis (environ 65mm) à une distance de 100 mètres et un deux-millionième de notre ciel. L'image a été assemblé à partir de 342 expositions distinctes prises avec le télescope spatial de Large champ et Planetary Camera 2 plus de dix jours consécutifs entre 18 décembre, et 28 décembre, 1995 .
Le champ est si faible que seulement quelques avant-plan étoiles dans la Voie Lactée se trouvent en son sein; Ainsi, presque tous les objets 3000 dans l'image sont galaxies , dont certains sont parmi les plus jeunes et les plus éloigné connu. En révélant ces grand nombre de très jeunes galaxies, l'HDF est devenu une image jalon dans l' étude de l'univers au début , et il a été la source de près de 400 articles scientifiques depuis sa création.
Trois ans après les observations HDF ont été prises, une région dans le hémisphère céleste sud a été imagée d'une manière similaire et nommé Champ profond de Hubble Sud. Les similitudes entre les deux régions de renforcer la croyance que l' univers est uniforme sur de grandes échelles et que la Terre occupe une région typique de l'univers (la principe cosmologique). En 2004 une image plus profonde, connue sous le nom Hubble champ ultra profond (HUDF), a été construit sur un total de onze jours d'observations. L'image HUDF est le plus profond (plus sensible) astronomique image toujours fait aux longueurs d'onde visibles.
Conception
L'un des objectifs clés des astronomes qui ont conçu le télescope spatial Hubble était d'utiliser sa haute résolution optique d'étudier les galaxies lointaines à un niveau de détail qui ne était pas possible à partir du sol. Placé au-dessus du atmosphère, Hubble évite atmosphérique Airglow lui permettant de prendre plus sensibles visibles et lumière ultraviolette images que peut être obtenu avec les télescopes au sol qui voit limitée (quand le bien correction d'optique adaptative devient disponible dans le visible, 10 télescopes terrestres-M peut devenir compétitive). Bien que le miroir du télescope souffrait d' aberration sphérique lorsque le télescope a été lancé en 1990, il pourrait encore être utilisé pour prendre des images de galaxies plus éloignées que cela ne avait pu être obtenue. Parce que la lumière prend des milliards de ans pour atteindre la Terre à partir de galaxies très lointaines, nous les voyons comme ils étaient il ya des milliards d'années; ainsi, étendre la portée de ces recherches aux galaxies lointaines en plus permet une meilleure compréhension de la façon dont ils évoluer.
Après l'aberration sphérique a été corrigé lors de La mission de la navette spatiale STS-61 en 1993, les désormais d'excellentes capacités d'imagerie du télescope ont été utilisés pour étudier les galaxies plus lointaines et faibles. Le Enquête de profondeur moyenne (MDS) a utilisé le WFPC2 pour prendre des images profondes de champs aléatoires tandis que d'autres instruments ont été utilisés pour les observations planifiées. Dans le même temps, d'autres programmes dédiés concentrés sur galaxies qui étaient déjà connus par l'observation au sol. Toutes ces études ont révélé des différences substantielles entre les propriétés des galaxies aujourd'hui et ceux qui existait il ya plusieurs milliards d'années.
Jusqu'à 10% du temps d'observation de la TVH est désigné comme discrétionnaire (DD) Temps de directeur, et est généralement attribué aux astronomes qui souhaitent étudier les phénomènes transitoires imprévus, tels que les supernovae . Une fois l'optique correctives de Hubble ont été présentés à de bons résultats, Robert Williams, alors directeur de la Space Telescope Science Institute, a décidé de consacrer une fraction importante de son temps de DD en 1995 à l'étude des galaxies lointaines. Un comité consultatif de l'Institut spécial a recommandé que le WFPC2 être utilisé à l'image d'un patch «typique» du ciel à une haute latitude galactique, utilisant plusieurs filtres optiques. Un groupe de travail a été créé pour développer et mettre en œuvre le projet.
Le choix des cibles
Le champ sélectionné pour les observations nécessaires pour remplir plusieurs critères. Il devait être à une latitude galactique élevé, parce que la poussière et la matière obscurcir dans le plan de la Voie Lactée disque s 'empêche observations de galaxies lointaines. Le champ cible devait éviter les sources lumineuses connues de la lumière visible (comme les étoiles de premier plan), et infrarouge, ultraviolet et Émissions de rayons X, afin de faciliter les études ultérieures à plusieurs longueurs d'onde des objets dans le champ profond, et également nécessaire pour être dans une région avec un fond infrarouge faible ' Cirrus », diffus, émission infrarouge vaporeux censé être causé par des grains de poussières chaudes dans les nuages froids de l'hydrogène (gaz HI régions).
Ces critères considérablement restreint le champ des zones cibles potentiels. Il a été en outre décidé que l'objectif devrait être dans les «zones de vision continue» de Hubble (CVZs) -les zones de ciel qui ne sont pas occultée par la Terre ou de la Lune au cours de l'orbite de Hubble. Le groupe de travail a décidé de se concentrer sur le nord du CVZ, de sorte que les télescopes de l'hémisphère nord, comme le Télescopes Keck et le Very Large Array, pourrait effectuer des observations de suivi.
Vingt domaines répondant à tous ces critères ont été initialement identifiés, dont trois champs candidats optimales ont été sélectionnés, le tout dans la constellation de . Ursa Major Radio observations d'instantanés exclure un de ces champs car il contenait une source radio lumineux, et la décision finale entre les deux autres a été faite sur la base de la disponibilité de guidage étoiles proches du terrain: observations de Hubble exigent normalement une paire de étoiles proches sur qui Capteurs beaux d'orientation du télescope pouvez verrouiller pendant une exposition, mais étant donné l'importance des observations HDF, le groupe de travail requis un second ensemble de guidage étoiles de back-up. Le champ qui a finalement choisi est situé à une ascension droite du 49.4s 12h 36m et un déclinaison de + 62 ° 12 '48 ".
Observations
Une fois un champ avait été sélectionné, une stratégie d'observation devait être développé. Une décision importante était de déterminer quels filtre les observations seraient utiliser; WFPC2 est équipé de quarante-huit filtres, y compris filtres à bande étroite isolement particulier raies d'émission de l'astrophysique et de l'intérêt, filtres utiles pour l'étude des couleurs des étoiles et des galaxies à large bande. Le choix des filtres à utiliser pour le HDF dépendait de la ' débit 'de chaque FILTRE la proportion totale de la lumière qu'il Through-et la couverture spectrale disponible le permet. Filtres avec bandes passantes se chevauchent aussi peu que possible étaient souhaitables.
En fin de compte, quatre filtres à large bande ont été choisis, centrée à longueurs d'onde de 300 nm (quasi ultraviolet ), 450 nm (lumière bleue), 606 nm (lumière rouge) et 814 nm (quasi- infrarouge). Parce que le efficacité quantique des détecteurs de Hubble est assez faible à 300 nm, le bruit dans les observations à cette longueur d'onde est principalement due à bruit de CCD plutôt que fond de ciel; Ainsi, ces observations pourraient être menées à des moments où le bruit de fond élevé aurait nui à l'efficacité des observations dans d'autres bandes passantes.
Images de la zone cible dans les filtres choisis ont été prises pendant dix jours consécutifs, au cours de laquelle Hubble en orbite autour de la Terre environ 150 fois. Les temps d'exposition total à chaque longueur d'onde étaient 42,7 heures (300 nm), 33,5 heures (450 nm), 30,3 heures (606 nm) et 34,3 heures (814 nm), divisé en 342 expositions individuelles pour prévenir des dommages importants aux images individuelles par les rayons cosmiques, qui provoquent des stries lumineuses apparaissent quand ils frappent détecteurs CCD.
Le traitement des données
La production d'une image finale combinées à chaque longueur d'onde est un processus complexe. Clair pixels causées par des impacts de rayons cosmiques au cours d'expositions ont été éliminés en comparant les expositions de même longueur pris une après l'autre, et à identifier les pixels qui ont été touchés par rayons cosmiques dans une exposition, mais pas l'autre. Sentiers de débris spatiaux et les satellites artificiels sont présents dans les images d'origine, et ont été soigneusement enlevées.
La lumière diffusée par la Terre était évident dans environ un quart des trames de données. Cela a été retiré en prenant une image affectée par la lumière diffusée, en l'alignant avec une image affectée, et en soustrayant l'image inchangée de celle touchée. L'image résultante a été lissée, et pourrait alors être soustrait du cadre lumineux. Cette procédure élimine la quasi-totalité de la lumière diffusée à partir des images affectées.
Une fois les 342 images individuelles ont été nettoyés des hits de rayons cosmiques et corrigées pour la lumière diffusée, ils ont dû être combinés. Les scientifiques impliqués dans les observations HDF pionnier d'une technique appelée ' drizzling », dans lequel le pointage du télescope a été minutieusement varier entre des ensembles d'exposition. Chaque pixel sur les puces CCD de WFPC2 enregistré une zone du ciel 0,09 secondes d'arc à travers, mais en modifiant la direction dans laquelle le télescope a été pointé par inférieure à celle entre les expositions, les images résultantes ont été combinées en utilisant des techniques sophistiquées de traitement d'images à mieux que cette valeur donner une résolution angulaire finale. Les images HDF produites à chaque longueur d'onde ont des tailles de pixel finales de 0,03985 secondes d'arc.
Le traitement des données a abouti à quatre les images monochromes, l'un à chaque longueur d'onde. La combinaison de ces dans les images en couleur diffusés au public a été un processus assez arbitraire, avec une image désignée comme chacun de rouge, vert et bleu, et les trois images combinées pour donner une image couleur. Parce que les longueurs d'onde auxquelles les images ont été prises ne correspondent pas aux longueurs d'onde de lumière rouge, vert et bleu, les couleurs de l'image finale ne donnent qu'une représentation approximative des couleurs réelles des galaxies dans l'image; le choix des filtres pour le HDF (et la majorité des images de Hubble) a été conçu principalement pour maximiser l'utilité scientifique des observations plutôt que de créer des couleurs correspondant à ce que la oeil humain serait effectivement percevoir.
Contenu de la Deep Field
Les images finales ont révélé une pléthore de lointaines galaxies faibles. Environ 3.000 galaxies distincts pouvaient être identifiés dans les images, à la fois irrégulière et galaxies spirales bien visibles, bien que certaines galaxies dans le domaine ne sont que quelques pixels à travers. En tout, l'HDF est pensé pour contenir moins de dix étoiles de premier plan galactique; de loin la majorité des objets sur le terrain sont des galaxies lointaines.
Il ya environ cinquante objets ponctuels bleus dans le HDF. Beaucoup semblent être associés à des galaxies voisines, qui forment ensemble des chaînes et des arcs: ceux-ci sont susceptibles d'être les régions d'intense la formation des étoiles. D'autres peuvent être éloignée quasars. Les astronomes initialement exclu la possibilité que certains des objets ponctuels sont les naines blanches , parce qu'ils sont trop bleu pour être compatible avec les théories de l'évolution naine blanche répandues à l'époque. Cependant, des travaux plus récents ont montré que de nombreuses naines blanches deviennent plus bleu à mesure qu'ils vieillissent, en appuyant l'idée que le HDF peut contenir des naines blanches.
Les résultats scientifiques
Les données fournies HDF matériau extrêmement riche pour les cosmologistes pour analyser et à partir de 2005, près de 400 documents sur la base du HDF ont été publiés dans la littérature astronomique. Une des conclusions les plus fondamentales a été la découverte d'un grand nombre de galaxies à forte redshift valeurs.
Comme l'univers est en expansion, des objets plus éloignés se éloignent de la Terre plus vite, dans ce qu'on appelle le flux de Hubble . La lumière de galaxies très lointaines est significativement affectée par la redshift cosmologique . Tandis que quasars avec des décalages spectraux élevés ont été connus, très peu de galaxies avec des décalages vers le rouge de plus de 1 étaient connus avant que les images ont été produites HDF. Le HDF, cependant, contenait de nombreuses galaxies avec décalage vers le rouge aussi élevées que 6, correspondant à des distances de l'ordre de 12 milliards années-lumière . (En raison de redshift les objets les plus éloignés dans le HDF ne sont pas réellement visible dans les images de Hubble;. Ils ne peuvent être détectés dans les images de la HDF prises à des longueurs d'onde de télescopes basés au sol)
Les galaxies HDF contenaient une proportion beaucoup plus grande des galaxies perturbés et irréguliers que l'univers local; collisions de galaxies et les fusions étaient plus fréquentes chez le jeune univers tel qu'il était beaucoup plus faible qu'aujourd'hui. On pense que géant galaxies elliptiques se forment lorsque des spirales et les galaxies irrégulières entrent en collision.
La richesse des galaxies à différents stades de leur évolution a également permis aux astronomes d'estimer la variation du taux de la formation des étoiles au cours de la durée de vie de l'univers. Bien que les estimations des décalages vers le rouge des galaxies HDF sont un peu brut, les astronomes pensent que la formation d'étoiles a été produit à son taux maximal ya 8-10000000000 années, et a diminué d'un facteur d'environ 10 depuis.
Un autre résultat important de la HDF était le très petit nombre de stars de premier plan présentes. Pendant des années, les astronomes avaient été perplexes sur la nature de la matière noire , la masse qui semble être observations indétectables, mais qui impliquait constitué environ 90% de la masse de l'univers. Une théorie est que la matière noire pourrait consister Massive Compact Halo objets astrophysiques ( MACHO) - objets faibles, mais massifs comme des naines rouges et planètes dans les régions extérieures de galaxies. Le HDF a montré, cependant, qu'il n'y avait pas un nombre important de naines rouges dans les parties extérieures de notre galaxie.
Des observations ultérieures
Le HDF est un jalon dans la cosmologie observationnelle et il reste beaucoup à apprendre de lui. Depuis 1995, le domaine a été observé par de nombreux télescopes terrestres ainsi que certains autres télescopes spatiaux, aux longueurs d'onde de la radio à Rayon X.
Les objets très-grand redshift ont été découverts dans le HDF utilisant un certain nombre de télescopes basés sur terre, notamment via le James Clerk Maxwell Telescope. Le décalage spectral élevé de ces objets qui signifie qu'ils ne sont pas visibles dans la lumière visible et sont généralement détectés en infrarouge ou enquêtes submillimétrique de longueur d'onde de la HDF place.
Observations spatiales importants ont inclus ceux du Chandra X-ray Observatory et du Infrared Space Observatory (ISO). Observations en rayons X ont révélé six sources dans le HDF, qui ont été jugées correspondre à trois galaxies elliptiques: une galaxie spirale, une noyau galactique actif et un objet extrêmement rouge, pensé pour être une galaxie lointaine contenant une grande quantité de produits pour absorber ses émissions de lumière bleue.
observations ISO indiqué émission infrarouge de 13 galaxies visibles dans les images optiques, attribués à de grandes quantités de poussière associés à la formation intense étoiles. Images de radio terrestres prises en utilisant le VLA révélé sept sources de radio dans le HDF, tous qui correspondent aux galaxies visibles dans les images optiques.
1998 a vu la création d'une contrepartie HDF dans l'hémisphère sud céleste: la HDF-Sud. Créé en utilisant une stratégie d'observation similaire, le HDF-S était très similaire en apparence à l'HDF origine. Cela confirme la principe cosmologique que, à sa plus grande échelle de l'univers est homogène.
