Les émissions infrarouges révèlent des secrets invisibles grâce aux observations de longueur d’onde optique


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  • Une compréhension approfondie de l’évolution des galaxies dépend en partie d’une mesure précise de l’abondance des métaux dans le milieu intergalactique – l’espace entre les étoiles – mais la poussière peut entraver les observations dans les longueurs d’onde optiques. Une équipe internationale d’astronomes de l’Université de Californie à Irvine, de l’Université d’Oxford en Angleterre et d’autres institutions a découvert des preuves d’éléments plus lourds dans les galaxies locales – jugées déficientes dans des études antérieures – en analysant les données infrarouges recueillies au cours d’une campagne pluriannuelle.

    Pour un article publié récemment dans Astronomie naturelle, les chercheurs ont examiné cinq galaxies qui sont faibles dans les longueurs d’onde visibles mais des milliards de fois plus lumineuses que le soleil dans l’infrarouge. Les interactions entre ces galaxies et les systèmes stellaires voisins provoquent le déplacement et l’effondrement du gaz, créant les conditions d’une prodigieuse formation d’étoiles.

    « En étudiant la teneur en gaz de ces galaxies avec des instruments optiques, les astronomes étaient convaincus qu’elles étaient significativement pauvres en métaux par rapport à d’autres galaxies de masse similaire », a déclaré l’auteur principal Nima Chartab, chercheur postdoctoral UCI en physique et astronomie. « Mais lorsque nous avons observé les raies d’émission de ces galaxies poussiéreuses dans les longueurs d’onde infrarouges, nous en avons eu une vue claire et n’avons trouvé aucune déficience significative en métal. »

    Pour déterminer l’abondance des métaux en phase gazeuse dans le milieu intergalactique, les astronomes ont cherché à acquérir des données sur les rapports des proxies, de l’oxygène et de l’azote, car les émissions infrarouges de ces éléments sont moins obscurcies par la poussière galactique.

    « Nous recherchons des preuves du cycle du baryon dans lequel les étoiles traitent des éléments tels que l’hydrogène et l’hélium pour produire du carbone, de l’azote et de l’oxygène », a déclaré le co-auteur Asantha Cooray, professeur de physique et d’astronomie à l’UCI. « Les étoiles finissent par devenir des supernovae et exploser, puis tout ce gaz à la périphérie des étoiles se transforme en nuages ​​​​qui sont projetés. Le matériau qu’elles contiennent est lâche et diffus, mais finalement par des perturbations gravitationnelles causées par d’autres étoiles se déplaçant, le gaz commencera à s’agglutiner et à s’effondrer, conduisant à la formation de nouvelles étoiles. »

    Observer ce processus dans les longueurs d’onde infrarouges est un défi pour les astronomes car la vapeur d’eau dans l’atmosphère terrestre bloque le rayonnement sur cette partie du spectre électromagnétique, effectuant des mesures même à partir des télescopes terrestres les plus élevés – comme ceux de l’observatoire Keck à Hawaï – insuffisant .

    Une partie de l’ensemble de données utilisé par l’équipe provenait du télescope spatial Herschel, désormais à la retraite, mais Herschel n’était pas équipé d’un spectromètre capable de lire une ligne d’émission spécifique dont l’équipe dirigée par l’UCI avait besoin pour son étude. La solution des chercheurs était de s’envoler – atteignant plus de 45 000 pieds au-dessus du niveau de la mer – dans l’Observatoire stratosphérique pour l’astronomie infrarouge, le Boeing 747 de la NASA équipé d’un télescope de 2,5 mètres.

    « Il nous a fallu près de trois ans pour collecter toutes les données en utilisant l’observatoire SOFIA de la NASA, car ces vols ne durent pas toute la nuit ; ils sont plutôt de l’ordre de 45 minutes de temps d’observation, donc l’étude a pris beaucoup de vol la planification et la coordination », a déclaré Cooray.

    En analysant les émissions infrarouges, les chercheurs ont pu comparer la métallicité de leurs galaxies infrarouges ultralumineuses cibles avec des galaxies moins poussiéreuses avec des masses et des taux de formation d’étoiles similaires. Chartab a expliqué que ces nouvelles données montrent que les galaxies infrarouges ultralumineuses sont conformes à la relation de métallicité fondamentale déterminée par la masse stellaire, l’abondance des métaux et le taux de formation d’étoiles.

    Les nouvelles données montrent en outre que la sous-abondance de métaux dérivés des lignes d’émission optique est probablement due à « l’obscurcissement de la poussière lourde associé à l’éclatement d’étoiles », selon l’article.

    « Cette étude est un exemple où il était essentiel pour nous d’utiliser cette longueur d’onde infrarouge pour comprendre pleinement ce qui se passe dans certaines de ces galaxies », a déclaré Cooray. « Lorsque les observations optiques sont sorties pour la première fois, suggérant que ces galaxies contenaient peu de métaux, les théoriciens sont allés écrire des articles, il y avait beaucoup de simulations essayant d’expliquer ce qui se passait. Les gens pensaient: » Peut-être que ce sont vraiment des galaxies à faible teneur en métaux « . mais nous avons constaté que ce n’était pas le cas. Avoir une vue complète de l’univers sur l’ensemble du spectre électromagnétique est vraiment crucial, je pense.

    Jonathan Lopez et Preston Zilliot, étudiants de premier cycle en physique et astronomie de l’UCI, ont rejoint Chartab et Cooray dans cette étude, qui a été financée en partie par la NASA ; Hooshang Nayyeri, UCI; Jingzhe Ma, Université Harvard; Dario Fadda du Centre des sciences SOFIA ; Matthew Malkan, UCLA; Dimitra Rigopoulou, Université d’Oxford, Royaume-Uni ; Kartik Sheth, NASA ; Julie Wardlow, Université de Lancaster, Royaume-Uni ; et Rodrigo Herrera-Camus, Université Concepcion, Chili.

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