Les astronomes développent une nouvelle façon de “voir” les premières étoiles à travers le brouillard de l’univers primitif

L’antenne radio dipôle hexagonale REACH est installée à la Karoo Radio Reserve, en Afrique du Sud. Crédit : La collaboration REACH

Une équipe d’astronomes a mis au point une méthode qui leur permet de “voir” à travers le brouillard de l’Univers primordial et de détecter la lumière des premières étoiles et galaxies.

Les chercheurs, dirigés par l’Université de Cambridge, ont développé une méthodologie qui leur permettra d’observer et d’étudier les premières étoiles à travers les nuages ​​d’hydrogène qui ont rempli l’univers environ 378 000 ans après le Big Bang.

Observer la naissance des premières étoiles et galaxies est un objectif des astronomes depuis des décennies, car cela aidera à expliquer comment l’univers a évolué du vide après le Big Bang au domaine complexe des corps célestes que nous observons aujourd’hui, 13,8 milliards d’années plus tard. .

Le Square Kilometre Array (SKA) – un télescope de nouvelle génération qui sera achevé d’ici la fin de la décennie – sera probablement capable de capturer des images de la première lumière de l’univers, mais le défi pour les télescopes actuels est d’obtenir le signal cosmologique des étoiles à travers les épais nuages ​​d’hydrogène.

Le signal que les astronomes veulent détecter devrait être environ cent mille fois plus faible que d’autres signaux radio provenant également du ciel, par exemple les signaux radio de notre propre galaxie.

L’utilisation d’un radiotélescope lui-même introduit des distorsions dans le signal reçu, ce qui peut complètement obscurcir le signal cosmologique d’intérêt. Ceci est considéré comme un défi d’observation extrême dans la radiocosmologie moderne. Ces perturbations liées aux instruments sont souvent considérées comme le principal goulot d’étranglement dans ces types d’observations.

Maintenant, l’équipe dirigée par Cambridge a développé une méthode pour voir à travers les nuages ​​primitifs et d’autres signaux de bruit aérien, en évitant l’effet néfaste des distorsions causées par le radiotélescope. Leur méthodologie, qui fait partie de l’expérience REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen), permet aux astronomes d’observer les étoiles les plus anciennes grâce à leur interaction avec les nuages ​​d’hydrogène, de la même manière que nous déduirions un paysage en recherchant des ombres dans le brouillard. .

Leur méthode améliorera la qualité et la fiabilité des observations des radiotélescopes sur cette période clé inexploitée de l’évolution de l’Univers. Les premières observations de REACH sont attendues plus tard cette année.

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Vue aérienne du site d’observation dans la Karoo Radio Reserve, Afrique du Sud. Crédit : Google Maps

Les résultats sont publiés aujourd’hui dans la revue Astronomie naturelle.

“Au moment où les premières étoiles se formaient, l’univers était presque vide et composé principalement d’hydrogène et d’hélium”, a déclaré le Dr Eloy de Lera Acedo du laboratoire Cavendish de Cambridge, l’auteur principal de l’article.

Il a ajouté: “En raison de la gravité, les éléments se sont finalement réunis et les conditions étaient propices à la fusion nucléaire, qui a formé les premières étoiles. Mais ils étaient entourés de nuages ​​d’hydrogène dit neutre, qui absorbent très bien la lumière, il est donc difficile de détecter ou d’observer directement la lumière derrière les nuages.”

En 2018, un autre groupe de recherche (qui mène l'”Expérience pour détecter l’époque globale de la signature de réioniozation” – ou EDGES) a publié un résultat faisant allusion à une détection possible de cette première lumière, mais les astronomes n’ont pas été en mesure de reproduire le résultat. – les amenant à croire que le résultat original peut être dû à une interférence du télescope utilisé.

“Le résultat original nécessiterait une nouvelle physique pour l’expliquer, en raison de la température de l’hydrogène gazeux, qui devrait être beaucoup plus froide que ne le permettrait notre compréhension actuelle de l’univers. Alternativement, une température plus élevée inexpliquée du rayonnement de fond – généralement que l’on pense être le fond cosmique connu des micro-ondes – pourrait en être la cause”, a déclaré de Lera Acedo.

“Si nous pouvons confirmer que le signal trouvé dans cette expérience antérieure provenait vraiment des premières étoiles, les implications seraient énormes.”

Pour étudier cette période de l’évolution de l’Univers, souvent appelée l’Aube cosmique, les astronomes étudient la ligne des 21 centimètres – une signature de rayonnement électromagnétique de l’hydrogène dans l’Univers primitif. Ils recherchent un signal radio qui mesure le contraste entre le rayonnement de l’hydrogène et le rayonnement derrière le brouillard d’hydrogène.

La méthodologie développée par de Lera Acedo et ses collègues utilise les statistiques bayésiennes pour détecter un signal cosmologique en présence d’interférences du télescope et de bruit général du ciel afin que les signaux puissent être séparés.

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Impression artistique de la formation des étoiles dans l’univers primitif. Crédit : NASA/JPL-Caltech

Cela nécessite des techniques et des technologies de pointe dans divers domaines.

Les chercheurs ont utilisé des simulations pour simuler une observation réelle à l’aide de plusieurs antennes, ce qui améliore la fiabilité des données – les observations précédentes étaient basées sur une seule antenne.

“Notre méthode analyse conjointement les données de plusieurs antennes et sur une bande de fréquences plus large que les instruments actuels comparables. Cette approche nous donnera les informations nécessaires pour notre analyse de données bayésienne”, a déclaré de Lera Acedo.

“Essentiellement, nous avons oublié les stratégies de conception traditionnelles et nous nous sommes plutôt concentrés sur la conception d’un télescope adapté à la façon dont nous voulons analyser les données – quelque chose comme une conception inversée. Cela pourrait nous aider à mesurer les choses de l’aube cosmique à l’ère du re- ionisation, lorsque l’hydrogène dans l’univers a été ré-ionisé.”

La construction du télescope est en cours d’achèvement dans la Karoo Radio Reserve en Afrique du Sud, un emplacement choisi pour ses excellentes conditions d’observation radio du ciel. Il est loin des interférences de fréquence radio artificielles, par exemple, les signaux de télévision et de radio FM.

L’équipe REACH de plus de 30 chercheurs est multidisciplinaire et dispersée dans le monde, avec des experts dans des domaines tels que la cosmologie théorique et observationnelle, la conception d’antennes, l’instrumentation radiofréquence, la modélisation numérique, le traitement numérique, les mégadonnées et les statistiques bayésiennes. REACH est codirigé par l’Université de Stellenbosch en Afrique du Sud.

Le professeur de Villiers, co-responsable du projet à l’université de Stellenbosch en Afrique du Sud, a déclaré : “Bien que la technologie d’antenne utilisée pour cet instrument soit assez simple, l’environnement de déploiement difficile et distant et les tolérances strictes requises en production, il s’agit d’un défi très projet sur lequel travailler.”

“Nous sommes extrêmement ravis de voir à quel point le système fonctionnera et sommes convaincus que nous ferons cette détection insaisissable.”

Le Big Bang et les premiers temps de l’univers sont des époques bien comprises, grâce aux études du rayonnement de fond diffus cosmologique (CMB). L’évolution tardive et généralisée des étoiles et des autres corps célestes est encore mieux comprise. Mais le moment de la formation de la première lumière dans le cosmos est une pièce fondamentalement manquante dans le puzzle de l’histoire de l’univers.


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Plus d’information:
Eloy de Lera Acedo, le radiomètre REACH pour détecter le signal d’hydrogène de 21 cm de décalage vers le rouge z 7,5–28, Astronomie naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41550-022-01709-9. www.nature.com/articles/s41550-022-01709-9

Fourni par l’Université de Cambridge

Devis: Les astronomes développent une nouvelle façon de “voir” les premières étoiles à travers le brouillard de l’univers primitif (2022, 21 juillet) récupéré le 22 juillet 2022 sur https://phys.org/news/2022-07-astronomers-stars-fog -early-universe.html

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