Des chercheurs utilisent la galaxie comme « télescope cosmique » pour étudier le cœur du jeune univers

Un nouvel instrument unique, accompagné d’un puissant télescope et d’un peu d’aide de la nature, a donné aux chercheurs la possibilité de plonger plus profondément dans les pépinières galactiques au cœur du jeune univers.

Après le Big Bang il y a environ 13,8 milliards d’années, l’univers primitif était rempli de nuages ​​​​massifs de gaz neutre diffus, connus sous le nom de systèmes Damped Lyman-α, ou DLA. Ces DLA servaient de pépinières galactiques, car les gaz qu’elles contenaient se condensaient lentement pour alimenter la formation d’étoiles et de galaxies. On peut encore les observer aujourd’hui, mais ce n’est pas facile.

« Les DLA sont essentiels pour comprendre comment les galaxies se forment dans l’univers, mais elles sont généralement difficiles à observer car les nuages ​​sont très dispersés et n’émettent eux-mêmes aucune lumière », explique Rongmon Bordoloi, professeur agrégé de physique à la North Carolina State University. et l’auteur correspondant de la recherche.

Actuellement, les astrophysiciens utilisent des quasars – des trous noirs supermassifs qui émettent de la lumière – comme « rétroéclairage » pour détecter les nuages ​​DLA. Bien que cette méthode permette aux chercheurs de localiser les emplacements du DLA, la lumière émise par les quasars n’agit que comme de minuscules brochettes à travers le nuage massif, entravant les efforts pour mesurer la taille et la masse totales.

Mais Bordoloi et John O’Meara, scientifique en chef à l’observatoire WM Keck à Kamuela, Hawaï, ont trouvé un moyen de contourner le problème en utilisant une galaxie à lentille gravitationnelle et une spectroscopie de champ intégrée pour observer deux DLA – et les galaxies hôtes à l’intérieur – qui se sont formées autour Il y a 11 milliards d’années, peu de temps après le Big Bang.

« Les galaxies à lentilles de gravité font référence à des galaxies qui semblent tendues et brillantes », explique Bordoloi. « C’est parce qu’il y a une structure gravitationnelle massive devant la galaxie qui dévie la lumière qui en provient lorsqu’elle se dirige vers nous. Nous finissons donc par regarder une version étendue de l’objet – c’est comme utiliser un télescope cosmique qui augmente le grossissement et nous donne une meilleure visualisation. »

« L’avantage avec ceci est double : premièrement, que l’objet d’arrière-plan est étiré à travers le ciel et est lumineux, il est donc facile de prendre des lectures de spectre sur différentes parties du corps. Deuxièmement, parce que l’objectif agrandit l’objet, vous pouvez examiner très petites échelles. Par exemple, si l’objet est à une année-lumière, nous pouvons donc étudier les petites pièces avec une très grande précision. »

Les lectures du spectre permettent aux astrophysiciens de « voir » des éléments dans l’espace profond invisibles à l’œil nu, tels que les DLA gazeux diffus et les galaxies potentielles qu’ils contiennent. La collecte des lectures est généralement un processus long et laborieux. Mais l’équipe a résolu ce problème en effectuant une spectroscopie de champ intégrée à l’aide du Keck Cosmic Web Imager.

La spectroscopie de champ intégrée a permis aux chercheurs d’obtenir un spectre dans chaque pixel de la partie du ciel ciblée, rendant la spectroscopie d’un objet du ciel étendu très efficace. Cette innovation, associée à la galaxie brillante et allongée dotée d’une lentille gravitationnelle, a permis à l’équipe de cartographier le gaz DLA dispersé dans le ciel avec une grande précision. Grâce à cette méthode, les chercheurs ont pu déterminer non seulement la taille des deux DLA, mais également qu’ils contiennent tous deux des galaxies hôtes.

« J’ai attendu la majeure partie de ma carrière pour cette combinaison : un télescope et un instrument suffisamment puissants, et la nature nous donne un peu de chance d’alignement pour étudier non pas un mais deux DLA d’une nouvelle manière riche », déclare O’Meara. « C’est formidable de voir que la science porte ses fruits. »

Au fait, les DLA sont énormes. Avec des diamètres supérieurs à 17,4 kiloparsecs, ils représentent aujourd’hui plus des deux tiers de la taille de la galaxie de la Voie lactée. À titre de comparaison, il y a 13 milliards d’années, le diamètre d’une galaxie typique était inférieur à 5 kiloparsecs. Un parsec mesure 3,26 années-lumière et un kiloparsec 1 000 parsecs, il faudrait donc environ 56 723 années pour parcourir chaque DLA.

« Mais pour moi, la chose la plus étonnante à propos des DLA que nous avons remarquées est qu’elles ne sont pas uniques – elles semblent avoir des similitudes de structure, des galaxies hôtes ont été détectées dans les deux, et leurs masses suggèrent qu’elles contiennent suffisamment de carburant pour la prochaine génération,  » dit Bordoloi. Avec cette nouvelle technologie à notre disposition, nous pourrons approfondir la façon dont les étoiles se sont formées dans l’univers primitif. « 

Le travail apparaît dans tempérer la nature Il a été soutenu par la National Aeronautics and Space Administration, la W.M. Keck Foundation et la National Science Foundation. Le Centre d’excellence pour l’ensemble de l’astrophysique en trois dimensions (ASTRO 3D) de l’Australian Research Council a également contribué à ces travaux.

-prendre-

Remarque aux éditeurs: résumé suit.

« Résolution HI dans les systèmes de formation d’étoiles Lyman-α amortis »

EST CE QUE JE: 10.1038 / s41586-022-04616-1

Auteurs: Rongmon Bordoloi, Ahmad Shaaban, Université d’État de Caroline du Nord ; Jean M O’Meara, Luca Rizzi, Greg Dobman, Observatoire WM Keck ; Keren Sharon, Université du Michigan ; Jeanne R. Rigby, le centre de vol Goddard de la NASA ; Jeff Cook, Université de technologie de Swinburne, Australie, et ASTRO 3D ; Matthews Matuszewski, Dr. Christopher Martin, Patrick Morrissey, James D. Neal, Caltech ; Anna M Moore, Université nationale australienne

publié: 18 mai 2022 tempérer la nature

un résumé:
Les réservoirs de gaz atomique dense (principalement de l’hydrogène) contiennent 90 % du gaz neutre au décalage vers le rouge 3 et contribuent à 2-3 % du total des baryons dans l’univers. Les «systèmes de revêtement Lyman-α» (ainsi appelés parce qu’ils absorbent les photons Lyman-α de l’intérieur et des sources de fond) ont été étudiés pendant des décennies, mais uniquement par des raies d’absorption trouvées dans les spectres de quasars de fond et de sursauts gamma. Ces ensembles de crayons ne restreignent pas la portée physique des systèmes. Nous rapportons ici la spectroscopie de champ intégrée d’une galaxie brillante à lentille gravitationnelle à un décalage vers le rouge de 2,7 avec deux systèmes Lyman-α au premier plan. Ces systèmes ont une portée ≳238 kpc2, la densité de la colonne d’hydrogène neutre différant de plus d’un ordre de grandeur sur des échelles ≲3 kpc. La densité moyenne de la colonne est d’environ 1020,46 – 1020,84 cm−2 et les masses totales de DLA sont ≳5,5 × 108 – 1,4 × 109 M_, ce qui indique que les DLA contiennent le carburant pour la prochaine génération de formation d’étoiles, ce qui est cohérent avec les masses relativement massives et faibles. luminosité Galaxies primordiales à décalages vers le rouge >2.