Mieux mesurer la composition des galaxies

“Nous essayons de mesurer la composition des gaz à l’intérieur des galaxies”, a déclaré Yuguang Chen, chercheur postdoctoral travaillant avec le professeur Tucker Jones au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Californie à Davis.

La plupart des éléments autres que l’hydrogène, l’hélium et le lithium sont produits à l’intérieur des étoiles, de sorte que la composition et la distribution des éléments plus lourds – en particulier le rapport de l’oxygène à l’hydrogène – peuvent aider les astronomes à comprendre combien et quels types d’étoiles se forment dans un lointain objet.

Les astronomes utilisent deux méthodes pour mesurer l’oxygène dans une galaxie, mais malheureusement, elles donnent des résultats différents. Une méthode courante, les lignes excitées par collision, donne un signal fort, mais on pense que les résultats sont sensibles aux changements de température, a déclaré Chen. Une deuxième méthode utilise un ensemble différent de raies, appelées raies de recombinaison, qui sont plus faibles mais qui ne sont pas affectées par la température.

La méthode des lignes de recombinaison produit systématiquement des mesures environ le double de celles des lignes excitées par collision. Les scientifiques attribuent cet écart aux fluctuations de température dans les nuages ​​​​de gaz, mais cela n’a pas été directement prouvé, a déclaré Chen.

Chen, Jones et leurs collègues ont utilisé l’astronomie optique et infrarouge pour mesurer l’abondance d’oxygène dans la galaxie naine Markarian 71, à environ 11 millions d’années-lumière de la Terre. Ils ont utilisé des données archivées du télescope volant SOFIA récemment retiré et de l’observatoire spatial Herschel à la retraite, ainsi que des observations avec des télescopes à l’observatoire WM Keck à Mauna Kea, à Hawaï.

SOFIA (Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy) était un télescope monté dans un Boeing 747. En volant entre 38 000 et 45 000 pieds, l’avion pourrait atteindre plus de 99 % de la vapeur d’eau dans l’atmosphère terrestre, ce qui empêche efficacement la lumière infrarouge de l’espace lointain d’atteindre le niveau du sol. Projet conjoint de la NASA et de l’agence spatiale allemande, SOFIA a effectué son dernier vol opérationnel en septembre 2022 et se dirige maintenant vers une exposition muséale à Tucson.

L’observatoire spatial Herschel, du nom des astronomes William et Caroline Herschel, était un télescope spatial infrarouge exploité par l’Agence spatiale européenne. Il a été actif de 2009 à 2013.

Un résultat surprenant

Avec les données de ces instruments, Chen et Jones ont examiné l’abondance d’oxygène dans Markarian 71 tout en corrigeant les fluctuations de température. Ils ont découvert que le résultat des lignes infrarouges excitées par collision était toujours inférieur de 50 % à celui de la méthode des lignes de recombinaison, même après avoir éliminé l’effet de la température.

“Ce résultat est très surprenant pour nous”, a déclaré Chen. Il n’y a pas de consensus sur une explication de l’écart, a-t-il déclaré. L’équipe prévoit d’examiner d’autres objets pour déterminer quelles propriétés des galaxies sont en corrélation avec cette variation, a déclaré Chen.

L’un des objectifs du télescope spatial James Webb, lancé en 2022, est de faire des observations infrarouges de la composition des galaxies lointaines dans le premier milliard d’années de l’univers. Les nouveaux résultats fournissent un cadre pour effectuer ces mesures avec le JWST et le Atacama Large Millimeter Array au Chili.

Les autres co-auteurs de l’article sont : Ryan Sanders et Erin Huntzinger, UC Davis ; Dario Fadder, Jessica Sutter et Robert Minchin, SOFIA Science Center, NASA Ames Research Center ; Peter Senchyna, Observatoires du Carnegie Institute for Science, Pasadena ; Daniel Stark et Benjamin Weiner, Steward Observatory, Université de l’Arizona ; Justin Spilker, Université A&M du Texas ; et Guido Roberts-Borsani, UCLA. Le travail a été financé en partie par la NASA. SOFIA était exploité conjointement par l’Universities Space Research Association, Inc. et le Deutsches SOFIA Institut.

L’observatoire WM Keck est exploité dans le cadre d’un partenariat scientifique entre le California Institute of Technology, l’Université de Californie et la NASA, avec le soutien financier de la Fondation WM Keck. Les chercheurs tiennent à remercier la communauté hawaïenne pour le privilège de leur permettre de mener des observations sur le Mauna Kea, qui joue un rôle culturel et religieux important.