Les galaxies étaient-elles très différentes dans l’univers primitif ?

des centaines de petites antennes en forme de parabole assises dans un désert

Le radiotélescope HERA se compose de 350 paraboles pointées vers le haut pour détecter les émissions de 21 centimètres de l’univers primitif. Il est situé dans une région radio-silencieuse du Karoo aride en Afrique du Sud. (Crédit photo : Dara Storer, 2022)

Un réseau de 350 radiotélescopes dans le désert du Karoo en Afrique du Sud se rapproche de la détection de “l’aube cosmique” – l’ère après le Big Bang lorsque les étoiles se sont allumées pour la première fois et que les galaxies ont commencé à fleurir.

Dans un papier accepté pour publication dans Le Journal Astrophysiquel’époque de l’hydrogène du réseau de réionisation (HÉRA) rapporte qu’elle a doublé la sensibilité du réseau, qui était déjà le radiotélescope le plus sensible au monde dédié à l’exploration de cette période unique de l’histoire de l’univers.

Bien qu’ils n’aient pas encore détecté les émissions radio de la fin de l’âge sombre cosmique, leurs résultats fournissent des indices sur la composition des étoiles et des galaxies dans l’univers primitif. En particulier, leurs données suggèrent que les premières galaxies contenaient très peu d’éléments en dehors de l’hydrogène et de l’hélium, contrairement à nos galaxies d’aujourd’hui.

Lorsque les paraboles radio seront entièrement en ligne et calibrées, idéalement cet automne, l’équipe espère construire une carte 3D des bulles d’hydrogène ionisé et neutre telles qu’elles ont évolué d’il y a environ 200 millions d’années à environ 1 milliard d’années après le Big Bang. La carte pourrait nous dire en quoi les premières étoiles et galaxies différaient de celles que nous voyons autour de nous aujourd’hui, et à quoi ressemblait l’univers dans son ensemble dans son adolescence.

“Cela s’oriente vers une technique potentiellement révolutionnaire en cosmologie. Une fois que vous pouvez atteindre la sensibilité dont vous avez besoin, il y a tellement d’informations dans les données », a déclaré Josué Dillonchercheur à l’Université de Californie, département d’astronomie de Berkeley et auteur principal de l’article. “Une carte 3D de la majeure partie de la matière lumineuse de l’univers est l’objectif pour les 50 prochaines années ou plus.”

D’autres télescopes scrutent également l’univers primitif. Le nouveau télescope spatial James Webb (JWST) a maintenant photographié une galaxie qui existait environ 325 millions d’années après la naissance de l’univers lors du Big Bang. Mais le JWST ne peut voir que les galaxies les plus brillantes qui se sont formées pendant l’époque de la réionisation, pas les galaxies naines plus petites mais beaucoup plus nombreuses dont les étoiles ont chauffé le milieu intergalactique et ionisé la majeure partie de l’hydrogène gazeux.

HERA cherche à détecter le rayonnement de l’hydrogène neutre qui a rempli l’espace entre ces premières étoiles et galaxies et, en particulier, à déterminer quand cet hydrogène a cessé d’émettre ou d’absorber des ondes radio parce qu’il est devenu ionisé.

HERA observe un temps entre le Big Bang et l'âge des galaxies

Une chronologie cosmique de 13,8 milliards d’années indique l’ère peu après le Big Bang observé par le satellite Planck, l’ère des premières étoiles et galaxies observées par HERA et l’ère de l’évolution des galaxies qui sera observée par le futur télescope spatial James Webb de la NASA. Image HERA.

Le fait que l’équipe HERA n’ait pas encore détecté ces bulles d’hydrogène ionisé dans l’hydrogène froid de l’âge sombre cosmique exclut certaines théories sur l’évolution des étoiles dans l’univers primitif.

Plus précisément, les données montrent que les premières étoiles, qui pourraient s’être formées environ 200 millions d’années après le Big Bang, contenaient peu d’autres éléments que l’hydrogène et l’hélium. Ceci est différent de la composition des étoiles d’aujourd’hui, qui ont une variété de soi-disant métaux, le terme astronomique pour les éléments, allant du lithium à l’uranium, qui sont plus lourds que l’hélium. La découverte est cohérente avec le modèle actuel sur la façon dont les étoiles et les explosions stellaires ont produit la plupart des autres éléments.

“Les premières galaxies doivent avoir été significativement différentes des galaxies que nous observons aujourd’hui pour que nous n’ayons pas vu de signal”, a déclaré Aaron Parsonchercheur principal pour HERA et professeur d’astronomie à l’UC Berkeley. « En particulier, leurs caractéristiques radiographiques doivent avoir changé. Sinon, nous aurions détecté le signal que nous recherchons.

La composition atomique des étoiles dans l’univers primitif a déterminé combien de temps il a fallu pour chauffer le milieu intergalactique une fois que les étoiles ont commencé à se former. La clé de cela est le rayonnement à haute énergie, principalement les rayons X, produit par des étoiles binaires où l’une d’entre elles s’est effondrée en un trou noir ou une étoile à neutrons et mange progressivement son compagnon. Avec peu d’éléments lourds, une grande partie de la masse du compagnon est soufflée au lieu de tomber dans le trou noir, ce qui signifie moins de rayons X et moins de réchauffement de la région environnante.

Les nouvelles données correspondent aux théories les plus populaires sur la formation des étoiles et des galaxies après le Big Bang, mais pas aux autres. Résultats préliminaires de la première analyse des données HERA, rapportée il y a un an, a laissé entendre que ces alternatives – en particulier la réionisation à froid – étaient peu probables.

« Nos résultats exigent que même avant la réionisation et jusqu’à 450 millions d’années après le Big Bang, le gaz entre les galaxies ait été chauffé par les rayons X. Celles-ci provenaient probablement de systèmes binaires où une étoile perd de la masse au profit d’un trou noir compagnon », a déclaré Dillon. “Nos résultats montrent que si c’est le cas, ces étoiles devaient avoir une “métallicité” très faible, c’est-à-dire très peu d’éléments autres que l’hydrogène et l’hélium par rapport à notre soleil, ce qui est logique car nous parlons d’une période dans temps dans l’univers avant que la plupart des autres éléments ne soient formés.

L’époque de la réionisation

L’origine de l’univers dans le Big Bang il y a 13,8 milliards d’années a produit un chaudron d’énergie et de particules élémentaires qui s’est refroidi pendant des centaines de milliers d’années avant que les protons et les électrons ne se combinent pour former des atomes – principalement de l’hydrogène et de l’hélium. En regardant le ciel avec des télescopes sensibles, les astronomes ont cartographié en détail les faibles variations de température à partir de ce moment – ce qu’on appelle le fond diffus cosmologique – à peine 380 000 ans après le Big Bang.

la nuit au télescope, avec une galaxie d'étoiles au-dessus

La galaxie de la Voie lactée dans le ciel nocturne au-dessus du réseau HERA. Le télescope ne peut observer qu’entre avril et septembre, lorsque la Voie lactée est sous l’horizon, car la galaxie produit beaucoup de bruit radio qui interfère avec la détection des faibles radiations de l’époque de la réionisation. Le réseau se trouve dans une région silencieuse où les radios, les téléphones portables et même les voitures à essence sont interdits. (Crédit photo : Dara Storer)

Mis à part ce rayonnement thermique relique, cependant, l’univers primitif était sombre. Au fur et à mesure de l’expansion de l’univers, l’agrégation de la matière a semé des galaxies et des étoiles, qui à leur tour ont produit des rayonnements – ultraviolets et rayons X – qui ont chauffé le gaz entre les étoiles. À un moment donné, l’hydrogène a commencé à s’ioniser – il a perdu son électron – et a formé des bulles dans l’hydrogène neutre, marquant le début de l’époque de la réionisation.

Pour cartographier ces bulles, HERA et plusieurs autres expériences se concentrent sur une longueur d’onde de lumière que l’hydrogène neutre absorbe et émet, mais pas l’hydrogène ionisé. Appelée raie de 21 centimètres (une fréquence de 1 420 mégahertz), elle est produite par la transition hyperfine, au cours de laquelle les spins de l’électron et du proton basculent de parallèle à antiparallèle. L’hydrogène ionisé, qui a perdu son seul électron, n’absorbe ni n’émet cette radiofréquence.

Depuis l’époque de la réionisation, la ligne de 21 centimètres a été décalée vers le rouge par l’expansion de l’univers à une longueur d’onde 10 fois plus longue – environ 2 mètres ou 6 pieds. Les antennes plutôt simples d’HERA, une construction de grillage à poule, de tuyaux en PVC et de poteaux téléphoniques, mesurent 14 mètres de diamètre afin de collecter et de concentrer ce rayonnement sur des détecteurs.

“A une longueur d’onde de deux mètres, un grillage à poules est un miroir”, a déclaré Dillon. “Et toutes les choses sophistiquées, pour ainsi dire, se trouvent dans le backend du superordinateur et dans toutes les analyses de données qui viennent après.”

homme barbu sous une antenne radio

L’astronome de l’UC Berkeley Joshua Dillon sous l’une des paraboles de la radio HERA en 2017. (Photo publiée avec l’aimable autorisation de Joshua Dillon)

La nouvelle analyse est basée sur 94 nuits d’observation en 2017 et 2018 avec environ 40 antennes – phase 1 du réseau. L’analyse préliminaire de l’année dernière était basée sur 18 nuits d’observations de phase 1.

Le principal résultat du nouveau document est que l’équipe HERA a amélioré la sensibilité du réseau d’un facteur de 2,1 pour la lumière émise environ 650 millions d’années après le Big Bang (un décalage vers le rouge, ou une augmentation de la longueur d’onde, de 7,9), et de 2,6 pour rayonnement émis environ 450 millions d’années après le Big Bang (décalage vers le rouge de 10,4).

L’équipe HERA continue d’améliorer l’étalonnage du télescope et l’analyse des données dans l’espoir de voir ces bulles dans l’univers primordial, qui représentent environ 1 millionième de l’intensité du bruit radio dans le voisinage de la Terre. Filtrer le bruit radio local pour voir le rayonnement de l’univers primitif n’a pas été facile.

“Si c’est du fromage suisse, les galaxies font des trous, et nous cherchons le fromage”, a déclaré jusqu’à présent, sans succès. David Deboerastronome de recherche au laboratoire de radioastronomie de l’UC Berkeley.

Étendant cette analogie, cependant, Dillon a noté: «Ce que nous avons fait, c’est que nous avons dit que le fromage doit être plus chaud que si rien ne s’était passé. Si le fromage était vraiment froid, il s’avère qu’il serait plus facile d’observer cette inégalité que si le fromage était chaud.

Cela exclut principalement la théorie de la réionisation à froid, qui posait un point de départ plus froid. Les chercheurs d’HERA soupçonnent plutôt que les rayons X des étoiles binaires à rayons X ont d’abord chauffé le milieu intergalactique.

un homme en lunettes de soleil prenant un selfie près d'une antenne radio

Aaron Parsons, astronome de l’UC Berkeley, prend un selfie au réseau HERA en 2017. (Crédit photo : Aaron Parsons)

“Les rayons X chaufferont efficacement tout le bloc de fromage avant que les trous ne se forment”, a déclaré Dillon. “Et ces trous sont les morceaux ionisés.”

“HERA continue de s’améliorer et de fixer des limites de mieux en mieux”, a déclaré Parsons. “Le fait que nous soyons capables de continuer à avancer et que nous ayons de nouvelles techniques qui continuent de porter leurs fruits pour notre télescope, c’est formidable.”

La collaboration HERA est dirigée par l’UC Berkeley et comprend des scientifiques d’Amérique du Nord, d’Europe et d’Afrique du Sud. La construction du réseau est financée par la National Science Foundation et la Gordon and Betty Moore Foundation, avec le soutien clé du gouvernement sud-africain.

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