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Une équipe internationale d'astronomes de Montréal et d'Inde a capturé un signal radio émis il y a 8,8 milliards d'années - une période incroyablement longue. Ils ont pu capter ce rayonnement extrêmement faible à l'aide du Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) à Pune en Inde, le plus grand radiotélescope du monde pour les longueurs d'onde de l'ordre du mètre.
Tout part de l'hydrogène neutre; chaque atome d'hydrogène n'émet certes qu'une infime quantité de rayonnement, mais les énormes nuages d'hydrogène dans l'espace brillent. L'hydrogène neutre ne brille pas dans la lumière visible, mais son rayonnement peut être capté par les radiotélescopes.
L'hydrogène est de loin l'élément le plus répandu dans l'espace. D'une part, il constitue le principal composant des étoiles; d'autre part, de grandes quantités de ce gaz flottent dans d'immenses nuages à travers le cosmos. Cet élément se présente principalement sous forme d'atomes isolés — l'hydrogène atomique H — ou sous forme de molécules — l'hydrogène moléculaire H2.
L'hydrogène atomique n'existe que depuis que l'espace a 380 000 ans. Auparavant, il faisait trop chaud dans le cosmos, raison pour laquelle l'hydrogène n'existait que sous forme ionisée. Ensuite, le refroidissement de l'espace dû à son expansion a permis aux protons et aux électrons de s'unir pour former de l'hydrogène atomique. Puis, après un nouveau refroidissement, des molécules d'hydrogène composées chacune de deux atomes. Mais l'hydrogène moléculaire a donné naissance à des étoiles qui, avec leur rayonnement ultraviolet, ont à leur tour décomposé l'hydrogène moléculaire en hydrogène atomique et ces atomes individuels en hydrogène ionisé.
L'hydrogène sous forme atomique est surtout présent dans les zones denses des galaxies. Le rayonnement mentionné au début est libéré lorsque cet hydrogène neutre change d'état quantique; le spin de l'électron passe d'une position parallèle à une position antiparallèle. Cette transition dite spin-flip libère une quantité d'énergie correspondant à une fréquence de 1420 mégahertz et à une longueur d'onde de 21 centimètres. C'est pourquoi ce rayonnement est également appelé ligne de 21 cm ou ligne HI.
L'astrophysicien néerlandais Hendrik Christoffel van de Hulst a calculé, dès 1944, que l'électron d'un atome d'hydrogène devait émettre un rayonnement caractéristique en inversant son sens de rotation. L'importance de la raie 21 cm pour l'astronomie a ensuite été reconnue par Colin Stanley Gum, Frank John Kerr et Gart Westerhout en 1951. Seule l'observation du signal 21 cm permet de cartographier les nuages de la Voie Lactée et le gaz des autres galaxies. Cela est également pertinent pour estimer la masse des galaxies et déterminer le mouvement de nombreux objets.
Les astronomes espèrent également que le signal de 21 cm leur permettra d'obtenir de nouvelles informations sur le passé profond de l'espace, appelé l'Age-sombre, et sur les époques qui lui ont succédé, comme l'époque de la réionisation. L'âge sombre a commencé environ 400 000 ans après le Big Bang — lorsque l'univers s'est suffisamment refroidi pour permettre la formation d'hydrogène neutre et stable — et a duré jusqu'à l'allumage des premières étoiles et la réionisation qui s'en est suivie.
Arnab Chakraborty de l'Université McGill à Montréal et Nirupam Roy de l'Indian Institute of Science (IISc) à Bangalore ont réussi à obtenir un tel aperçu du passé cosmique. Le signal de 21 cm qu'ils ont pu capter provient de la galaxie de formation stellaire SDSSJ0826+5630 et a été émis alors que l'Univers, aujourd'hui âgé de 13,7 milliards d'années, n'avait que 4,9 milliards d'années.
Les astronomes ont également pu mesurer la composition du gaz dans la galaxie. Ils ont constaté que la masse atomique du contenu gazeux de cette galaxie particulière est presque deux fois plus importante que la masse totale des étoiles visibles pour nous. Ils ont publié leurs résultats dans les «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society».
Cette vision profonde de l'espace a été rendue possible par un effet connu sous le nom de lentille gravitationnelle. Une énorme masse située entre l'observateur et l'objet observé courbe l'espace-temps, de sorte que la lumière émise par l'objet situé derrière est déviée vers la masse. Comme le dit Nirupam Roy:
Astronomers from @McGillUPhysics & @Physics_at_IISc have detected radio signals from atomic hydrogen in an extremely distant galaxy, using the Giant Metrewave Radio Telescope @NCRA_Outreachhttps://t.co/SuWy07uLbu@ArnabCh88024907 @RAS_Journals— IISc Bangalore (@iiscbangalore) January 16, 2023
Image: @CuriousArtom #IIScresearch pic.twitter.com/69q78P38f1
Selon les auteurs de l'étude, cela montre la possibilité d'observer des galaxies lointaines dans des situations similaires avec des lentilles gravitationnelles. De plus, cela ouvre de nouvelles possibilités passionnantes pour étudier l'évolution cosmique des étoiles et des galaxies avec les radiotélescopes basse fréquence actuels.
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