février 3, 2023

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L’incapacité à détecter le signal clé permet aux astronomes de déterminer ce qu’étaient et n’étaient pas les premières galaxies

Les chercheurs ont pu prendre des décisions majeures sur l’existence des premières galaxies, dans l’une des premières études astrophysiques de la période de l’univers primitif où les premières étoiles et galaxies se sont formées, connue sous le nom d’aube cosmique.

En utilisant les données du radiotélescope indien SARAS3, des chercheurs dirigés par l’Université de Cambridge ont pu se pencher sur le tout premier univers – à peine 200 millions d’années après le Big Bang – et fixer des limites à la production de masse et d’énergie des premières étoiles et galaxies.

De manière inattendue, les chercheurs ont pu placer cette frontière sur les galaxies les plus anciennes en ne trouvant pas le signal qu’ils recherchaient, connu sous le nom de raie d’hydrogène à 21 centimètres.

Cette non-découverte a permis aux chercheurs de prendre d’autres décisions concernant l’aube cosmique et a imposé des contraintes aux 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 découvertes rapportées dans la revue astronomie naturelleCela représente une étape importante dans la compréhension de la façon dont notre univers est passé d’être principalement vide à être plein d’étoiles.

Comprendre l’univers primitif, lorsque les premières étoiles et galaxies se sont formées, est l’un des principaux objectifs 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 de l’évolution de l’univers.

Le projet SKA, qui comprend deux télescopes de nouvelle génération qui doivent être achevés d’ici la fin de la décennie, sera probablement en mesure de capturer des images de l’univers primitif, mais pour les télescopes actuels, le défi consiste à détecter le signal cosmique du premier. Les étoiles étaient réirradiées par des nuages ​​d’hydrogène denses.

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Ce signal est connu sous le nom de ligne de 21 centimètres – un signal radio produit par les atomes d’hydrogène dans l’univers primitif. Contrairement au JWST récemment lancé, qui sera capable d’imager directement des galaxies individuelles dans l’univers primitif, les études de la ligne de 21 cm, réalisées avec des radiotélescopes tels que le REACH (Radio Experiment for Cosmic Hydrogen Analysis) dirigé par Cambridge, peuvent nous dire sur des groupes entiers d’anciennes galaxies. . Les premiers résultats de REACH sont attendus début 2023.

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

En 2018, un autre groupe de recherche travaillant sur l’expérience EDGES a publié un résultat qui laissait entrevoir une possible détection de cette lumière précoce. Le signal rapporté était exceptionnellement fort par rapport à ce à quoi on pourrait s’attendre dans l’image astrophysique la plus simple de l’univers primitif. Récemment, les données SARAS3 ont contesté ce résultat : le résultat EDGES attend toujours la confirmation d’observations indépendantes.

En réanalysant les données SARAS3, l’équipe dirigée par Cambridge a testé une variété de scénarios astrophysiques qui pourraient expliquer le résultat EDGES, mais n’a trouvé aucun signal correspondant. Au lieu de cela, l’équipe a pu imposer certaines contraintes sur les propriétés des premières étoiles et galaxies.

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Les résultats de l’analyse SARAS3 marquent la première fois que les observations radio d’une ligne de 21 centimètres en moyenne ont pu fournir un aperçu des propriétés des premières galaxies sous la forme de limites à 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 pu trouver de signal dans les données SARAS3.

« Nous recherchions un signal d’une certaine amplitude », a déclaré Harry Bivins, 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. Et cela, à son tour, commence à nous dire à quel point les premières galaxies étaient brillantes. »

« Notre analyse a montré que le signal d’hydrogène peut nous renseigner sur le premier amas d’étoiles et de galaxies », a déclaré le co-auteur, le Dr Anastasia Fialkov, du Cambridge Institute of Astronomy. « Notre analyse impose des contraintes sur certaines propriétés clés des premières sources de lumière, notamment les masses des premières galaxies et l’efficacité avec laquelle ces galaxies pouvaient former des étoiles. Nous abordons également la question de l’efficacité de ces sources à émettre des rayons X, lumière ultraviolette et radio. »

« C’est 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 à l’univers complexe d’étoiles, de galaxies et d’autres corps célestes que nous pouvons voir depuis la Terre aujourd’hui », a déclaré le Dr. Éloy. de Lira Acedo du laboratoire Cavendish de Cambridge, qui a co-dirigé la recherche.

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

« Nos données révèlent également quelque chose qui a déjà été suggéré, à savoir que les premières étoiles et galaxies auraient pu avoir une contribution mesurable au rayonnement de fond qui a émergé à la suite du Big Bang et qui se dirige vers nous depuis », a déclaré de Lira Acedo. Nous avons mis fin 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 Bivins.

La recherche a été financée en partie par le Science and Technology Facilities Council (STFC), une partie de UK Research and Innovation (UKRI) et la Royal Society. Tous les auteurs de Cambridge sont membres du Kavli Institute for Cosmology de Cambridge.