Antenne GMRT de nuit

Une antenne GMRT la nuit. Crédits: Rakesh Rao

Une équipe d’astronomes du National Center for Radio Astrophysics (NCRA-TIFR) à Pune et du Raman Research Institute (RRI), à Bengaluru, a utilisé le radiotélescope Giant Metrewave (GMRT) amélioré pour mesurer la teneur en hydrogène atomique des galaxies vu comme il y a 8 milliards d’années, lorsque l’univers était jeune. C’est la première époque de l’univers pour laquelle il existe une mesure de la teneur en gaz atomique des galaxies. Cette recherche a été publiée dans le numéro du 14 octobre 2020 de la revue La nature.

Les galaxies de l’univers sont constituées principalement de gaz et d’étoiles, le gaz étant converti en étoiles au cours de la vie d’une galaxie. Comprendre les galaxies nous oblige donc à déterminer comment les quantités de gaz et d’étoiles changent avec le temps. Les astronomes savent depuis longtemps que les galaxies formaient des étoiles à un rythme plus élevé lorsque l’univers était jeune qu’aujourd’hui. L’activité de formation d’étoiles dans les galaxies a culminé il y a environ 8 à 10 milliards d’années et a diminué régulièrement jusqu’à aujourd’hui. La cause de ce déclin est inconnue, principalement parce que nous n’avons eu aucune information sur la quantité d’hydrogène atomique, le principal carburant pour la formation d’étoiles, dans les galaxies à ces premiers temps.

Signal empilé 21 cm

Une image du signal empilé de 21 cm détecté avec le GMRT amélioré, provenant de l’hydrogène atomique dans des galaxies distantes de 22 milliards d’années-lumière. Crédit: Chowdhury et al.

«Nous avons, pour la première fois, mesuré la teneur en hydrogène atomique des galaxies formant des étoiles il y a environ 8 milliards d’années, en utilisant le GMRT amélioré. Compte tenu de la formation intense d’étoiles dans ces premières galaxies, leur gaz atomique serait consommé par la formation d’étoiles en seulement un ou deux milliards d’années. Et, si les galaxies ne pouvaient pas acquérir plus de gaz, leur activité de formation d’étoiles déclinerait et cesserait finalement », a déclaré Aditya Chowdhury, Ph.D. étudiant au NCRA-TIFR et auteur principal de l’étude. «La baisse observée de l’activité de formation d’étoiles peut donc s’expliquer par l’épuisement de l’hydrogène atomique.»

La mesure de la masse d’hydrogène atomique de galaxies éloignées a été effectuée en utilisant le GMRT amélioré pour rechercher une raie spectrale dans l’hydrogène atomique. Contrairement aux étoiles qui émettent fortement de la lumière aux longueurs d’onde optiques, le signal d’hydrogène atomique se situe dans les longueurs d’onde radio, à une longueur d’onde de 21 cm, et ne peut être détecté qu’avec des radiotélescopes. Malheureusement, ce signal de 21 cm est très faible et difficile à détecter à partir de galaxies individuelles distantes, même avec des télescopes puissants comme le GMRT amélioré. Pour surmonter cette limitation, l’équipe a utilisé une technique appelée «empilement» pour combiner les signaux de 21 cm de près de 8 000 galaxies qui avaient été précédemment identifiés avec des télescopes optiques. Cette méthode mesure la teneur moyenne en gaz de ces galaxies.

K. S. Dwarakanath de RRI, co-auteur de l’étude, a déclaré: «Nous avions utilisé le GMRT en 2016, avant sa mise à niveau, pour mener une étude similaire. Cependant, la bande passante étroite avant la mise à niveau du GMRT signifiait que nous ne pouvions couvrir qu’environ 850 galaxies dans notre analyse et que nous n’étions donc pas suffisamment sensibles pour détecter le signal. «Le grand saut dans notre sensibilité est dû à la mise à niveau du GMRT en 2017», a déclaré Jayaram Chengalur, du NCRA-TIFR, co-auteur de l’article. «Les nouveaux récepteurs large bande et l’électronique nous ont permis d’utiliser 10 fois plus de galaxies dans l’analyse d’empilement, ce qui donne une sensibilité suffisante pour détecter le faible signal moyen de 21 cm.»

Référence: «H i émission de 21 centimètres d’un ensemble de galaxies à un redshift moyen de un» par Aditya Chowdhury, Nissim Kanekar, Jayaram N. Chengalur, Shiv Sethi et K. S. Dwarakanath, 14 octobre 2020, La nature.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2794-7