Les frontières de l’astronomie sont régulièrement repoussées de nos jours grâce aux télescopes de nouvelle génération et aux collaborations scientifiques. Même ainsi, les astronomes attendent toujours de lever le voile de l'”âge sombre” cosmique, qui a duré environ 370 000 à 1 milliard d’années après le Big Bang, où l’Univers était enveloppé d’hydrogène neutre obscurcissant la lumière. Les premières étoiles et galaxies se sont formées au cours de cette même période (environ 100 à 500 millions d’années), dissipant lentement les « ténèbres ». Cette période est connue sous le nom d’Epoque de Réionisation, ou comme l’appellent de nombreux astronomes : l’Aube Cosmique.
En sondant cette période avec des radiotélescopes avancés, les astronomes obtiendront des informations précieuses sur la façon dont les premières galaxies se sont formées et ont évolué. C’est le but de l’Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), un radiotélescope dédié à l’observation de la structure à grande échelle du cosmos pendant et avant l’Epoch of Reionization situé dans le désert du Karoo en Afrique du Sud. Dans un article récent, la collaboration HERA rapporte comment elle a doublé la sensibilité du réseau et comment leurs observations conduiront à la première carte 3D de Cosmic Dawn.
La collaboration HERA est un consortium international composé d’astronomes et d’astrophysiciens d’Afrique du Sud, d’Australie, des États-Unis, du Royaume-Uni, d’Israël, d’Italie et d’Inde. La recherche a été dirigée par Joshua Dillon, chercheur au département d’astronomie de l’UC Berkeley et auteur principal de l’article. Le document qui décrit leurs recherches et leurs conclusions est récemment apparu en ligne et a été accepté pour publication par le Journal astrophysique. Leurs résultats fournissent de nouvelles informations sur la façon dont la réionisation s’est produite dans l’Univers primordial.
De l’obscurité à l’aube
Sur la base des modèles cosmologiques actuels, l’Univers a commencé il y a 13,8 milliards d’années avec le Big Bang, qui a produit une rafale d’énergie et de particules élémentaires qui se sont lentement refroidies pour créer les premiers protons et électrons (qui se sont combinés pour former les premiers atomes d’hydrogène et d’hélium). Le « rayonnement relique » restant est observable aujourd’hui sous la forme du fond diffus cosmologique (CMB). Grâce à des missions telles que COBE, WMAP et Planck, les astronomes ont cartographié les faibles variations de température qui existaient 380 000 ans après le Big Bang.
Pendant ce temps, grâce à des missions comme Hubble, les astronomes ont observé les galaxies telles qu’elles existaient environ 1 milliard d’années après le Big Bang (il y a environ 13 milliards d’années). Cela a conduit à une meilleure compréhension de la façon dont les galaxies ont évolué et du rôle possible de la matière noire et de l’énergie noire dans le processus. Cependant, il existe un écart entre ces observations du CMB et les premières galaxies : les « âges sombres » susmentionnés (environ 370 000 à 1 milliard d’années après le Big Bang). Cette époque ne peut pas être étudiée avec des télescopes conventionnels car les photons de cette période faisaient soit partie du CMB, soit ceux émis par des atomes d’hydrogène neutres – la raie d’hydrogène de 21 centimètres.
Au fur et à mesure que les premières étoiles et galaxies se sont formées, le rayonnement intense qu’elles ont émis a réionisé une grande partie de l’Univers environnant. Cela a conduit à l’époque de la réionisation, où l’hydrogène neutre a commencé à former des nuages de plasma d’électrons libres et de protons. Pour cartographier ces bulles, HERA et d’autres radiotélescopes sophistiqués ont été créés pour observer la raie de l’hydrogène (qui a une fréquence de 1 420 mégahertz). Cette longueur d’onde de la lumière est celle que l’hydrogène neutre absorbe et émet, mais pas l’hydrogène ionisé.
Depuis l’époque de la réionisation, ce rayonnement a été décalé vers le rouge par l’expansion de l’Univers à une longueur d’onde d’environ 2 mètres (6 pieds). Les antennes simples d’HERA, construites à partir de grillage à poule, de tuyaux en PVC et de poteaux téléphoniques, mesurent 14 mètres (46 pieds) de diamètre, ce qui leur permet de concentrer ce rayonnement sur les détecteurs. Le backend est l’endroit où les choses deviennent sophistiquées, consistant en un superordinateur et des algorithmes d’apprentissage automatique effectuant une analyse avancée des données. Cette carte pourrait suivre l’évolution galactique depuis le tout début de l’Univers jusqu’à aujourd’hui.
Dernière analyse
Les résultats de l’équipe ont montré 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. La découverte est cohérente avec les modèles acceptés d’évolution stellaire, qui stipulent que les métaux (du lithium à l’uranium) se sont formés au sein de la première génération d’étoiles. Lorsque ces étoiles se sont effondrées après une durée de vie relativement courte (des centaines de millions d’années plutôt que des milliards), ces métaux ont été perdus avec les couches externes des étoiles, ensemençant l’Univers de métaux qui sont devenus une partie des générations d’étoiles suivantes.
Les astronomes s’intéressent à la composition atomique de ces premières étoiles car cela montrerait combien de temps elles ont mis pour chauffer le milieu intergalactique (IGM) et provoquer la réionisation. Un élément clé ici est le rayonnement à haute énergie (principalement les rayons X) produit par les étoiles binaires une fois que l’une d’entre elles devient supernova, s’effondrant dans un trou noir ou une étoile à neutrons et consommant finalement leur compagnon. Comme les premières étoiles avaient très peu d’éléments lourds (faible métallicité), elles n’auraient pas beaucoup chauffé la région environnante et produit moins de rayons X.
En fin de compte, la collaboration HERA n’a pas trouvé le signal que ces bulles auraient émis dans les données. Selon Aaron Parsons, chercheur principal d’HERA, professeur agrégé d’astronomie à l’UC Berkeley et directeur de son laboratoire de radioastronomie, cela exclut certaines théories sur l’évolution des étoiles dans l’Univers primitif. “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-t-il déclaré. « En particulier, leurs caractéristiques radiographiques doivent avoir changé. Sinon, nous aurions détecté le signal que nous recherchons.
L’absence de signal exclut en grande partie la théorie de la «réionisation froide», qui postule que la réionisation a un point de départ plus froid. Au lieu de cela, les chercheurs d’HERA soupçonnent que les rayons X des étoiles binaires ont d’abord chauffé le milieu intergalactique (IGM). Dit Joshua Dillon, chercheur au département d’astronomie de l’UC Berkeley et auteur principal de l’article :
« 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. Nos résultats montrent que si tel est le cas, ces étoiles doivent avoir une très faible « métallicité », 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 le temps. dans l’Univers avant la formation de la plupart des autres éléments.
Ces résultats concordent avec les résultats préliminaires de la première analyse des données HERA (rapportées l’année dernière) qui laissaient entendre que des théories alternatives comme la « réionisation à froid » étaient peu probables. Ces résultats étaient basés sur 18 nuits d’observation par la Phase I du projet HERA (environ 40 antennes) et étaient les observations les plus sensibles de l’Univers primordial à ce jour. Cette dernière est basée sur 94 nuits d’observations de phase I (entre 2017 et 2018) et démontre comment l’équipe HERA a amélioré la sensibilité du réseau.
Cela inclut une augmentation d’un facteur 2,1 pour la lumière émise environ 650 millions d’années après le Big Bang (une valeur de décalage vers le rouge (z) de 7,9) et une augmentation de 2,6 pour le rayonnement émis environ 450 millions d’années après le Big Bang (z=10,4). Cela représente un grand pas en avant pour le projet et la compréhension des astronomes de l’Univers primordial. Selon Eloy de Lera Acedo, astrophysicien du Cavendish Astrophysics de l’Université de Cambridge, ces dernières observations sont “la meilleure preuve que nous ayons du réchauffement du milieu intergalactique par les premières galaxies”.
Regarder vers l’avant
L’équipe HERA continue d’améliorer l’étalonnage du télescope et l’analyse des données dans l’espoir de voir les bulles d’ionisation prédites dans l’Univers primordial. Filtrer le bruit radio local pour voir le rayonnement de l’Univers primitif reste un défi puisque les émissions radio de cette ère représentent environ un millionième de l’intensité du bruit radio au voisinage de la Terre. Lorsque toutes les paraboles radio d’HERA seront en ligne et entièrement calibrées, l’équipe espère construire une carte 3D des bulles d’hydrogène ionisé et neutre d’env. 200 millions à 1 milliard d’années après le Big Bang.
Une fois cette opération terminée, la collaboration HERA et d’autres astronomes s’attendent à voir un modèle de “fromage suisse” dans l’Univers primordial, où les galaxies font des trous dans un fond d’hydrogène neutre. Dillion a dit :
“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. Une carte 3D de la majeure partie de la matière lumineuse de l’univers est l’objectif pour les 50 prochaines années ou plus. Ce que nous avons fait, c’est que nous avons dit que le fromage devait 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.
D’autres télescopes de pointe permettent aux astronomes de scruter l’Univers primordial. Cela comprend l’expérience canadienne de cartographie de l’intensité de l’hydrogène (CHIME) en Colombie-Britannique, qui observe également la ligne d’hydrogène de 21 cm pour étudier l’évolution de l’Univers. Il y a aussi le Télescope spatial James Webb (JWST), qui a observé une galaxie qui existait environ 325 millions d’années après le Big Bang l’été dernier. Cela a établi un nouveau record pour la plus ancienne galaxie jamais observée. Cependant, le JWST ne peut observer que les galaxies les plus brillantes de cette époque, tandis que des réseaux comme HERA et CHIME continuent de sonder les régions “plus sombres” de l’Univers primitif.
“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.”
Lectures complémentaires : Université de Berkeley, arXiv
