Des astronomes de l’Université McGill au Canada et de l’Institut indien des sciences (IISc) à Bengaluru ont utilisé les données du radiotélescope géant à ondes métriques (GMRT) à Pune pour détecter un signal radio provenant de l’hydrogène atomique dans une galaxie extrêmement éloignée. La distance astronomique sur laquelle un tel signal a été capté est la plus grande jusqu’à présent et de loin. Il s’agit également de la première détection confirmée d’une forte lentille d’émission de 21 cm d’une galaxie. Les conclusions ont été publiées dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
L’hydrogène atomique est le combustible de base nécessaire à la formation d’étoiles dans une galaxie. Lorsque le gaz ionisé chaud du milieu environnant d’une galaxie tombe sur la galaxie, le gaz se refroidit et forme de l’hydrogène atomique, qui devient alors de l’hydrogène moléculaire et conduit finalement à la formation d’étoiles. Par conséquent, comprendre l’évolution des galaxies au cours du temps cosmique nécessite de retracer l’évolution du gaz neutre à différentes époques cosmologiques.
L’hydrogène atomique émet des ondes radio d’une longueur d’onde de 21 cm, qui peuvent être détectées à l’aide de radiotélescopes à basse fréquence comme le GMRT. Ainsi, l’émission de 21 cm est un traceur direct de la teneur en gaz atomique dans les galaxies proches et lointaines. Cependant, ce signal radio est extrêmement faible et il est presque impossible de détecter l’émission d’une galaxie lointaine à l’aide des télescopes actuels en raison de leur sensibilité limitée.
Jusqu’à présent, la galaxie la plus éloignée détectée à l’aide d’une émission de 21 cm était au décalage vers le rouge z = 0,376, ce qui correspond à un temps de rétrospection – le temps écoulé entre la détection du signal et son émission d’origine – de 4,1 milliards d’années. (Le décalage vers le rouge représente le changement de longueur d’onde du signal en fonction de l’emplacement et du mouvement de l’objet ; une plus grande valeur de z indique un objet plus éloigné.)
À l’aide des données du GMRT, Arnab Chakraborty, chercheur postdoctoral au Département de physique et à l’Institut spatial Trottier de l’Université McGill, et Nirupam Roy, professeur agrégé, Département de physique, IISc ont détecté un signal radio de l’hydrogène atomique dans une galaxie lointaine à redshift z= 1.29.
« En raison de l’immense distance à la galaxie, la ligne d’émission de 21 cm s’était décalée vers le rouge à 48 cm au moment où le signal a voyagé de la source au télescope », explique Chakraborty. Le signal détecté par l’équipe a été émis depuis cette galaxie alors que l’univers n’avait que 4,9 milliards d’années ; en d’autres termes, le temps de rétrospection de cette source est de 8,8 milliards d’années.
Cette détection a été rendue possible par un phénomène appelé lentille gravitationnelle, dans lequel la lumière émise par la source est courbée en raison de la présence d’un autre corps massif, tel qu’une galaxie elliptique de type précoce, entre la galaxie cible et l’observateur, entraînant effectivement le « grossissement » du signal. « Dans ce cas précis, le grossissement du signal était d’environ un facteur de 30, nous permettant de voir à travers l’univers à décalage vers le rouge élevé », explique Roy.
L’équipe a également observé que la masse atomique d’hydrogène de cette galaxie particulière est presque deux fois plus élevée que sa masse stellaire. Ces résultats démontrent la faisabilité d’observer le gaz atomique des galaxies à des distances cosmologiques dans des systèmes à lentilles similaires avec un temps d’observation modeste. Cela ouvre également de nouvelles possibilités passionnantes pour sonder l’évolution cosmique du gaz neutre avec des radiotélescopes à basse fréquence existants et à venir dans un proche avenir.
Yashwant Gupta, directeur du centre au NCRA, a déclaré : « Détecter l’hydrogène neutre dans les émissions de l’Univers lointain est extrêmement difficile et a été l’un des principaux objectifs scientifiques du GMRT. Nous sommes satisfaits de ce nouveau résultat révolutionnaire avec le GMRT, et espérons que la même chose peut être confirmée et améliorée à l’avenir. »
Plus d’information:
Arnab Chakraborty et al, Détection de l’émission H i 21 cm d’une galaxie fortement lentille à z ∼ 1,3, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society (2022). DOI : 10.1093/mnras/stac3696