Des chercheurs utilisent la galaxie comme un “télescope cosmique” pour étudier le cœur du jeune univers

Après le big bang il y a environ 13,8 milliards d’années, l’univers primitif était rempli d’énormes nuages ​​de gaz neutre diffus, connus sous le nom de systèmes Damped Lyman-α, ou DLA. Ces DLA ont servi de pépinières galactiques, car les gaz à l’intérieur se sont lentement condensés 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 une clé pour comprendre comment les galaxies se forment dans l’univers, mais elles sont généralement difficiles à observer car les nuages ​​sont trop diffus et n’émettent pas de lumière eux-mêmes”, explique Rongmon Bordoloi, professeur adjoint de physique à la North Carolina State University. et auteur correspondant de la recherche.

Actuellement, les astrophysiciens utilisent des quasars – des trous noirs supermassifs qui émettent de la lumière – comme “rétro-éclairage” pour détecter les nuages ​​​​DLA. Et bien que cette méthode permette aux chercheurs de localiser les emplacements DLA, la lumière des quasars n’agit que comme de petites brochettes à travers un nuage massif, ce qui entrave les efforts pour mesurer leur taille et leur 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 intégrale pour observer deux DLA – et les galaxies hôtes à l’intérieur – qui formé il y a environ 11 milliards d’années, peu de temps après le big bang.

“Les galaxies à lentille gravitationnelle font référence aux galaxies qui semblent étirées et éclairées”, explique Bordoloi. “C’est parce qu’il y a une structure massive gravitationnelle 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 grossissement et nous donne une meilleure visualisation.

“L’avantage de ceci est double : premièrement, l’objet d’arrière-plan est étendu à travers le ciel et lumineux, il est donc facile de prendre des lectures de spectre sur différentes parties de l’objet. Deuxièmement, parce que la lentille étend l’objet, vous pouvez sonder de très petites échelles. . Par exemple, si l’objet mesure une année-lumière de diamètre, nous pouvons étudier de petits morceaux avec une très haute fidélité.”

Les lectures du spectre permettent aux astrophysiciens de “voir” des éléments dans l’espace lointain qui ne sont pas visibles à l’œil nu, tels que les DLA gazeux diffus et les galaxies potentielles qu’ils contiennent. Normalement, la collecte des lectures est un processus long et laborieux. Mais l’équipe a résolu ce problème en effectuant une spectroscopie de champ intégrale avec le Keck Cosmic Web Imager.

La spectroscopie de champ intégrale a permis aux chercheurs d’obtenir un spectre à chaque pixel de la partie du ciel ciblée, rendant la spectroscopie d’un objet étendu sur le ciel très efficace. Cette innovation combinée à la galaxie à lentille gravitationnelle étirée et éclaircie a permis à l’équipe de cartographier le gaz DLA diffus dans le ciel avec une haute fidélité. Grâce à cette méthode, les chercheurs ont pu déterminer non seulement la taille des deux DLA, mais également qu’ils contenaient 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 donnant un peu d’alignements chanceux pour étudier non pas un mais deux DLA d’une nouvelle manière riche”, déclare O’Meara. “C’est formidable de voir la science se concrétiser.”

Les DLA sont énormes, soit dit en passant. 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, une galaxie typique aurait un diamètre inférieur à 5 kiloparsecs. Un parsec est de 3,26 années-lumière et un kiloparsec est de 1 000 parsecs, il faudrait donc environ 56 723 années à la lumière pour traverser chaque DLA.

“Mais pour moi, la chose la plus étonnante à propos des DLA que nous avons observées 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 indiquent qu’elles contiennent suffisamment de carburant pour la prochaine génération de formation d’étoiles », dit Bordoloi. “Avec cette nouvelle technologie à notre disposition, nous allons pouvoir approfondir la façon dont les étoiles se sont formées dans l’univers primitif.”

L’oeuvre apparaît dans Nature et a été soutenu par la National Aeronautics and Space Administration, la WM Keck Foundation et la National Science Foundation. L’Australian Research Council Center of Excellence for All Sky Astrophysics in 3 Dimensions (ASTRO 3D) a également contribué aux travaux.