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Des scientifiques, dont <span class="glossaryLink" aria-describedby="tt" data-cmtooltip="
” data-gt-translate-attributes=”{” attribute=””> le MIT &rsquo ; Jacqueline Hewitt et Nicholas Kern du MIT partagent des résultats attendus depuis longtemps, se rapprochant des premières étoiles de l’univers.
Tout au long de l’histoire, les êtres humains ont créé et partagé des histoires sur la création des étoiles, ce qu’elles sont et comment les premières étoiles sont apparues. Aujourd’hui, grâce aux nouveaux résultats obtenus par le Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) , un radiotélescope situé dans la réserve astronomique du Karoo en Afrique du Sud, les scientifiques du MIT ont fait un petit pas en avant vers la compréhension de cette histoire.
Les chercheurs du HERA recherchent les premiers signes de formation d’étoiles et de structure de galaxies. Plus précisément, les scientifiques, dont Jacqueline Hewitt, titulaire de la chaire de physique Julius A. Stratton au MIT, tentent de comprendre ce qui s’est passé pendant une période appelée l’aube cosmique, qui s’est produite environ 400 millions d’années après le <span class="glossaryLink" aria-describedby="tt" data-cmtooltip="
” data-gt-translate-attributes=”{” attribute=””> Big Bang . Au début de l’automne 2021, Hewitt, Nicholas Kern, titulaire d’une bourse Pappalardo en physique à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT, et d’autres chercheurs de la collaboration internationale ont finalisé les résultats tant attendus, collectés et analysés pendant quatre ans, lors des premières étapes de la construction du télescope.
Leur étude, publiée le 7 février 2022 dans l’ Astrophysical Journal , présente de nouvelles limites supérieures pour les signaux radio de l’hydrogène cosmique, qui indiquent la formation précoce d’étoiles et donnent aux scientifiques une image plus claire du moment où les premières étoiles et galaxies se sont formées. Ces résultats réduisent les modèles théoriques qui émettent des hypothèses sur les origines de l’aube cosmique.
Une partie du réseau radio interférométrique HERA dans le désert du Karoo en Afrique du Sud au début de la construction en 2016, photographiée avec l’équipe du site pour l’échelle. Crédit : Kathryn Rosie
Les résultats de HERA sont en partie si importants parce qu’ils ont été recueillis à un stade très précoce du développement de HERA. Le télescope, qui fonctionne comme un réseau d’antennes radio, n’a actuellement qu’une fraction de sa taille finale ; les données ont été recueillies à partir de seulement 39 des 52 antennes déployées de HERA. Dans sa forme complète, il y aura 350 antennes au total. Une fois sa construction achevée, HERA sera suffisamment sensible pour recueillir des ensembles de données encore plus importants et des informations provenant de régions plus éloignées, et donc plus anciennes.
“Nous ne faisons pas encore tout ce que nous pouvons faire,”dit Kern, l’auteur principal de l’article. “Ce résultat est une démonstration du télescope en tant qu’entité. C’est la démonstration d’une première analyse des données, qui constitue une sorte de cadre, de base, si l’on veut, pour toutes les analyses futures.
À la recherche d’un signal
Pour revenir sur l’aube cosmique, HERA utilise des ondes radio à basse fréquence pour identifier les signaux qui ne sont pas facilement observables. Cette méthode est différente de celle des autres télescopes, comme le télescope spatial Hubble <span class="glossaryLink" aria-describedby="tt" data-cmtooltip="
” data-gt-translate-attributes=”{” attribute=””> , qui observent des structures telles que les galaxies, qui ne représentent que 5 % de la matière observable dans l’espace. Les 95 % restants sont constitués par ce qui se trouve entre les galaxies, notamment l’hydrogène de faible densité. Avec HERA, les scientifiques peuvent observer ce qui se passe entre les galaxies et utiliser ces informations pour déduire ce que font les galaxies que nous ne pouvons pas observer, et comment la formation des galaxies influence l’espace qui les entoure.
Membres de la collaboration HERA lors d’une réunion scientifique. L’équipe HERA est composée d’institutions des États-Unis, du Canada, d’Europe et d’Afrique du Sud. Crédit : Photo avec l’aimable autorisation de l’équipe HERA.
Pour comprendre cette période de l’histoire de l’univers, les scientifiques recherchent le “signal de retournement de spin”, également connu sous le nom de ligne à 21 centimètres, qui est la longueur d’onde de l’hydrogène neutre. Ce signal radio provient du matériel intergalactique entre les galaxies et est produit par l’émission et/ou l’absorption des atomes d’hydrogène émis par cette transition.
“Ce que nous recherchons avec HERA est : Ce que nous cherchons à savoir avec HERA, c’est à quoi ressemble le signal de retournement de spin à cette époque “, explique Steve Furlanetto, théoricien principal du projet HERA et professeur associé de physique et d’astronomie à l’Université de Californie du Sud.Université de Californie à Los Angeles. L’identification de l’époque de réionisation, ou le moment où le signal est observé, est ce qui est important, dit-il. Nous voulons savoir si le signal est en absorption, ce qui signifie qu’il est avant les rayons X, ou en émission, ce qui est après les rayons X. Ensuite, nous voulons voir s’il disparaît à cause de la réionisation. Puis nous voulons voir s’il disparaît à cause de la réionisation.
Le signal a deux signatures, ou processus, qui peuvent être capturés. Le signal est d’abord altéré lorsque les étoiles chauffent l’hydrogène gazeux. La deuxième partie, qui est ce que HERA a recherché jusqu’à présent, est la disparition du signal de 21 cm, qui se produit lorsque l’hydrogène est ionisé par l’énergie produite par la formation d’étoiles supplémentaires. Cette signature indique que des étoiles ont été créées.
La ligne de 21 cm de l’aube cosmique n’a pas encore été définitivement détectée. Cependant, les nouveaux résultats de HERA fournissent des données &mdash ; plus sensibles que les résultats précédents par un facteur de 10 &mdash ; sur la nature du signal de spin flip de l’époque où l’univers avait 500 millions d’années.
Un premier regard
Avec ces résultats, l’équipe HERA a été en mesure de fournir des preuves qui excluent plusieurs théories possibles sur la formation des galaxies. Plus particulièrement, les données montrent qu’il a dû y avoir un mécanisme pour chauffer l’hydrogène dans l’espace, ce qui signifie que les galaxies doivent avoir des trous noirs.
Une partie du réseau radio interférométrique HERA ? dans le désert du Karoo, en Afrique du Sud. Crédit : Dara Storer
“Si vous avez des galaxies qui n’ont pas de trous noirs, c’est en fait quelque chose que vous pouvez exclure,&rdquo ; dit Furnaletto. “Il doit y avoir un chauffage, ce qui, dans le contexte de ces modèles, signifie qu’il doit y avoir des trous noirs près desquels les rayons X sont produits. Grâce au financement de la Gordon and Betty Moore Foundation et de la National Science Foundation, HERA fonctionnera avec 350 antennes et une nouvelle conception d’antenne qui permettra au télescope de capter des ondes radio de plus basse fréquence et d’observer des points à des décalages vers le rouge plus élevés, ce qui lui permettra de voir plus loin dans le temps.
Hewitt, responsable du projet d’extension de la capacité de signal de HERA, travaille sur la question de la formation des premières étoiles depuis 2004. Elle a dirigé le prototypage des nouveaux composants à basse fréquence et développe d’autres techniques pour analyser les ensembles de données actuels et futurs. La nouvelle conception des antennes, provenant de l’université de Cambridge, devrait être installée d’ici le début de l’année 2022, et augmentera considérablement la gamme d’informations qu’elles sont capables d’obtenir.
“Cette extension à des fréquences plus basses est importante car elle nous permet d’atteindre cette période précédant les premières étoiles,&rdquo ; dit Hewitt, expliquant que l’augmentation de la portée les aidera à en apprendre davantage sur les premières étapes de l’histoire cosmique.
“C’est étonnant de voir comment cela fonctionne. On peut être un peu blasé, mais parfois je m’arrête et je me dis : ” Je suis en train de construire un instrument qui remonte dans le temps de 13 milliards d’années “, vous voyez ? a déclaré Hewitt. Référence : “First Results from HERA Phase I : Upper Limits on the Epoch of Reionization 21 cm Power Spectrum&rdquo ; par Zara Abdurashidova, James E. Aguirre, Paul Alexander, Zaki S. Ali, Yanga Balfour, Adam P. Beardsley, Gianni Bernardi, Tashalee S. Billings, Judd D. Bowman, Richard F. Bradley, Philip Bull, Jacob Burba, Steve Carey, Chris L. Carilli, Carina Cheng, David R. DeBoer, Matt Dexter, Eloy de Lera Acedo, Taylor Dibblee-Barkman, Joshua S. Dillon, John Ely, Aaron Ewall-Wice, Nicolas Fagnoni, Randall Fritz, Steven R. Furlanetto, Kingsley Gale-Sides, Brian Glendenning, Deepthi Gorthi, Bradley Greig, Jasper Grobbelaar, Ziyaad Halday, Bryna J. Hazelton, Jacqueline N. Hewitt, Jack Hickish, Daniel C. Jacobs, Austin Julius, Nicholas S. Kern, Joshua Kerrigan, Piyanat Kittiwisit, Saul A. Kohn, Matthew Kolopanis, Adam Lanman, Paul La Plante, Telalo Lekalake, David Lewis, Adrian Liu, David MacMahon, Lourence Malan, Cresshim Malgas, Matthys Maree, Zachary E. Martinot, Eunice Matsetela, Andrei Mesinger, Mathakane Molewa, Miguel F. Morales, Tshegofalang Mosiane, Steven G. Murray, Abraham R. Neben, Bojan Nikolic, Chuneeta D. Nunhokee, Aaron R. Parsons, Nipanjana Patra, Robert Pascua, Samantha Pieterse, Jonathan C. Pober, Nima Razavi-Ghods, Jon Ringuette, James Robnett, Kathryn Rosie, Peter Sims, Saurabh Singh, Craig Smith, Angelo Syce, Nithyanandan Thyagarajan, Peter K. G. Williams, Haoxuan Zheng et The HERA Collaboration, 7 février 2022, Astrophysical Journal .
DOI :10.3847/1538-4357/ac1c78
Ce travail est soutenu, en partie, par la National Science Foundation avec le soutien institutionnel des partenaires de la collaboration HERA, et par la Gordon and Betty Moore Foundation. HERA est hébergé par le South African Radio Astronomy Observatory, qui est une installation de la National Research Foundation, une agence du Department of Science and Innovation.
