La non-détection du signal clé permet aux astronomes de déterminer à quoi ressemblaient les premières galaxies – et n’étaient pas –


Les chercheurs ont pu faire des déterminations clés sur les premières galaxies à exister, dans l’une des premières études astrophysiques de la période de l’Univers primordial où les premières étoiles et galaxies se sont formées, connue sous le nom d’aube cosmique.

À l’aide des données du radiotélescope indien SARAS3, des chercheurs dirigés par l’Université de Cambridge ont pu observer le tout premier Univers – à peine 200 millions d’années après le Big Bang – et imposer des limites à la masse et à la production d’énergie des premières étoiles et galaxies.

Contre toute attente, les chercheurs ont pu placer ces limites sur les premières galaxies en ne trouvant pas le signal qu’ils recherchaient, connu sous le nom de raie de l’hydrogène à 21 centimètres.

Cette non-détection a permis aux chercheurs de faire d’autres déterminations sur l’aube cosmique, en plaçant des contraintes sur les premières galaxies, leur permettant d’exclure des scénarios comprenant des galaxies qui étaient des réchauffeurs inefficaces de gaz cosmique et des producteurs efficaces d’émissions radio.

Bien que nous ne puissions pas encore observer directement ces premières galaxies, les résultats, rapportés dans la revue Astronomie naturellereprésentent une étape importante pour comprendre comment notre Univers est passé d’une grande partie vide à un plein d’étoiles.

Comprendre l’Univers primordial, lorsque les premières étoiles et galaxies se sont formées, est l’un des objectifs majeurs des nouveaux observatoires. Les résultats obtenus à partir des données de SARAS3 constituent une étude de preuve de concept qui ouvre la voie à la compréhension de cette période du développement de l’Univers.

Le projet SKA – impliquant deux télescopes de nouvelle génération qui doivent être achevés d’ici la fin de la décennie – sera probablement en mesure de faire des images de l’Univers primordial, mais pour les télescopes actuels, le défi consiste à détecter le signal cosmologique du premier étoiles réirradiées par d’épais nuages ​​d’hydrogène.

Ce signal est connu sous le nom de ligne de 21 centimètres – un signal radio produit par les atomes d’hydrogène dans l’Univers primordial. Contrairement au JWST récemment lancé, qui sera capable d’imager directement des galaxies individuelles dans l’Univers primordial, les études de la ligne de 21 centimètres, réalisées avec des radiotélescopes tels que le REACH dirigé par Cambridge (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen), peut nous renseigner sur des populations entières de galaxies encore plus anciennes. Les premiers résultats de REACH sont attendus début 2023.

Pour détecter la ligne de 21 centimètres, les astronomes recherchent un signal radio produit par des atomes d’hydrogène dans l’Univers primordial, affecté par la lumière des premières étoiles et le rayonnement derrière le brouillard d’hydrogène. Plus tôt cette année, les mêmes chercheurs ont développé une méthode qui, selon eux, leur permettra de voir à travers le brouillard de l’univers primitif et de détecter la lumière des premières étoiles. Certaines de ces techniques ont déjà été mises en pratique dans la présente étude.

En 2018, un autre groupe de recherche exploitant l’expérience EDGES a publié un résultat suggérant une possible détection de cette première lumière. Le signal signalé était inhabituellement fort par rapport à ce qui est attendu dans l’image astrophysique la plus simple de l’Univers primitif. Récemment, les données SARAS3 ont contesté cette détection : le résultat EDGES attend toujours la confirmation d’observations indépendantes.

Dans une nouvelle analyse des données SARAS3, l’équipe dirigée par Cambridge a testé une Crumpa de scénarios astrophysiques qui pourraient potentiellement expliquer le résultat EDGES, mais ils n’ont pas trouvé de signal correspondant. Au lieu de cela, l’équipe a pu imposer certaines limites aux propriétés des premières étoiles et galaxies.

Les résultats de l’analyse SARAS3 sont la première fois que les observations radio de la ligne moyenne de 21 centimètres ont pu fournir un aperçu des propriétés des premières galaxies sous la forme de limites de leurs principales propriétés physiques.

Travaillant avec des collaborateurs en Inde, en Australie et en Israël, l’équipe de Cambridge a utilisé les données de l’expérience SARAS3 pour rechercher des signaux de l’aube cosmique, lorsque les premières galaxies se sont formées. En utilisant des techniques de modélisation statistique, les chercheurs n’ont pas été en mesure de trouver un signal dans les données SARAS3.

« Nous recherchions un signal avec une certaine amplitude », a déclaré Harry Bevins, étudiant au doctorat du laboratoire Cavendish de Cambridge et auteur principal de l’article. « Mais en ne trouvant pas ce signal, nous pouvons limiter sa profondeur. Cela, à son tour, commence à nous informer sur la luminosité des premières galaxies. »

« Notre analyse a montré que le signal d’hydrogène peut nous informer sur la population des premières étoiles et galaxies », a déclaré le co-auteur principal, le Dr Anastasia Fialkov de l’Institut d’astronomie de Cambridge. « Notre analyse place des limites sur certaines des propriétés clés des premières sources de lumière, y compris les masses des premières galaxies et l’efficacité avec laquelle ces galaxies peuvent former des étoiles. Nous abordons également la question de l’efficacité avec laquelle ces sources émettent des rayons X, rayonnement radio et ultraviolet. »

« Il s’agit d’une première étape pour nous dans ce que nous espérons être une décennie de découvertes sur la façon dont l’Univers est passé de l’obscurité et du vide au domaine complexe des étoiles, des galaxies et d’autres objets célestes que nous pouvons voir depuis la Terre aujourd’hui », a déclaré le Dr Eloy. de Lera Acedo du laboratoire Cavendish de Cambridge, qui a co-dirigé la recherche.

L’étude observationnelle, la première du genre à bien des égards, exclut les scénarios dans lesquels les premières galaxies étaient à la fois plus de mille fois plus brillantes que les galaxies actuelles dans leur émission radio et étaient de piètres réchauffeurs d’hydrogène gazeux.

« Nos données révèlent également quelque chose qui a été suggéré auparavant, à savoir que les premières étoiles et galaxies auraient pu avoir une contribution mesurable au rayonnement de fond apparu à la suite du Big Bang et qui se dirige vers nous depuis,  » a déclaré de Lera Acedo, « Nous établissons également une limite à cette contribution. »

« C’est incroyable de pouvoir regarder si loin dans le temps – à seulement 200 millions d’années après le Big Bang – et de pouvoir en apprendre davantage sur l’Univers primitif », a déclaré Bevins.

La recherche a été soutenue en partie par le Conseil des installations scientifiques et technologiques (STFC), une partie de UK Research & Innovation (UKRI) et la Royal Society. Les auteurs de Cambridge sont tous membres du Kavli Institute for Cosmology de Cambridge.

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