Le soir du 12 décembre 2021, les astronomes de Cornell, Gordon Stacey et Thomas Nikola, manquaient dangereusement de temps. Ils étaient restés éveillés pendant près de 24 heures, avec une autre nuit blanche devant eux.
La peau de leurs mains s’était desséchée et craquelée après avoir vécu pendant cinq semaines à une altitude vertigineuse dans le désert d’Atacama au Chili. Et ils étaient en sous-effectif, un équipage de deux au lieu des quatre ou cinq habituels, dans le Expérience Pathfinder d’Atacama (APEX) salle de contrôle du télescope.
Les restrictions de COVID-19, les retards de voyage et le mauvais temps s’étaient alignés, de sorte qu’eux et une équipe de Cornell travaillant à distance depuis Ithaca n’avaient que 12 heures de plus pour collecter des données de leurs galaxies cibles : la lumière qui avait mis 11,5 milliards d’années pour atteindre la Terre.
« Nous examinons la formation des étoiles au cours du temps cosmique », a déclaré Stacey, professeur d’astronomie au Collège des arts et des sciences. « C’est derrière tout ce que nous faisons. »
Pendant plus de 30 ans, Stacey a dirigé des équipes de recherche utilisant des télescopes dans le monde entier pour en savoir plus sur l’évolution stellaire. Il y a quelques années, par exemple, Stacey a confirmé que certaines des galaxies les plus lumineuses ne se forment pas par des collisions, mais par l’accumulation de matériaux provenant de la toile cosmique. De telles découvertes conduisent à plus de temps sur les télescopes et à d’autres découvertes. Ce soir, ils essayaient d’en apprendre encore plus, mais la fenêtre d’opportunité se fermait.
Lors d’une pause entre les observations, Stacey a discuté sur Zoom avec l’équipe d’Ithaca. Il trouve le travail d’observation suffisamment stimulant pour le tenir éveillé, et il était prêt à partir pour le reste de la nuit.
Mais Nikola, chercheur associé au Cornell Center for Astrophysics and Planetary Science et chef de la logistique de ce voyage, a erré dans la salle de contrôle pour rester éveillé.
Marchant de moniteur en moniteur, il a vérifié les conditions météorologiques ainsi que le mode et les paramètres d’observation du télescope. Vérifier les chiffres le maintient alerte et lui permet de temps en temps de détecter une erreur qui pourrait faire la différence entre faire une découverte et collecter des données erronées.
Après des jours de conditions humides ou nuageuses – même une petite quantité d’humidité dans l’atmosphère est mauvaise pour l’observation – le ciel au-dessus d’APEX était parfaitement clair et très sec. Les membres de l’équipe ont reporté leur attention sur le ciel à la recherche de deux galaxies qui se sont formées deux milliards d’années seulement après le Big Bang. Détecteraient-ils la ligne d’émission de leur cible avant que leur temps ne soit écoulé ?
Éléments abondants du « midi cosmique »
Stacey et ses collègues étudient les émissions provenant des galaxies à l’époque connue sous le nom de « midi cosmique », il y a 8 à 12 milliards d’années, en utilisant ZEUS-2, un spectromètre de la taille et de la forme d’un baril de pétrole et construit sur mesure à Cornell.
« Nous examinons les lignes de structure fine d’atomes et d’ions abondants d’oxygène, de carbone et d’azote », a déclaré Stacey. « Ce sont les troisième, quatrième et septième éléments les plus abondants dans l’univers après l’hélium et l’hydrogène, et ils nous en disent long. »
En mesurant l’abondance de ces éléments de base dans les étoiles nées relativement peu de temps après le Big Bang, l’équipe apprend comment les étoiles se forment dans les galaxies, comment les galaxies évoluent et comment les étoiles nées pendant ce lointain « midi cosmique » se comparent à notre propre étoile plus jeune. , le soleil, qui n’a que 4,6 milliards d’années.
L’objectif du voyage était d’installer ZEUS-2 au télescope APEX, puis de mesurer une raie spectrale à partir d’oxygène doublement ionisé (O++) provenant de galaxies lointaines. O++, qui nécessite des photons ultraviolets très énergétiques pour se former, indique la présence d’étoiles massives chaudes et aide les chercheurs à retracer à la fois la formation des étoiles et la création d’oxygène à travers des générations d’étoiles dans les galaxies de l’univers primitif.
Avant que la lumière vieille de 11 milliards d’années puisse atteindre ZEUS-2, cependant, ZEUS-2 devait atteindre l’APEX.
Le télescope est situé au-dessus de 16 700 pieds d’altitude, à environ 2 200 pieds plus haut que le mont Whitney, le point culminant des États-Unis continentaux ; même dans le meilleur des cas, y installer un instrument est un défi. Lorsque Stacey et Nikola sont arrivés au camp de base de l’APEX, à 8 000 pieds, à San Pedro de Atacama le 16 novembre, ils n’ont été autorisés à travailler que quelques heures pour pouvoir s’acclimater à l’oxygène limité. Ils ont commencé à travailler sur le site du télescope le lendemain, installant ZEUS-2 sur APEX.
Une fois que Nikola et Stacey ont mis ZEUS-2 en service le 29 novembre, les doctorants Christopher Rooney, Catherine Ball et Bo Peng ont travaillé sans relâche pour tester, calibrer et observer avec l’instrument. « De longues réunions Zoom avec des outils de collaboration en ligne nous ont permis de réaliser cette course d’observation » hybride « qui, autrement, est prise en charge par une équipe de quatre ou cinq personnes au télescope », a déclaré Amit Vishwas, Ph.D., associé de recherche, ancien doctorant ZEUS-2, et membre de l’équipe travaillant virtuellement depuis Ithaca.
Un ciel clair et un cadeau de temps
La première nuit, le 1er décembre, était suffisamment sèche pour être observée. « Nous avons un peu de science dans la poche, environ quatre heures d’observation de deux sources différentes », a déclaré Stacey.
Mais à l’APEX, il suffit d’un peu d’humidité dans l’atmosphère pour obscurcir les observations.
La définition d’un bon temps d’observation, a déclaré Rooney, qui a dirigé ZEUS-2 depuis Ithaca pendant les observations, signifie que si vous additionnez toute l’eau de toute l’atmosphère, du niveau du sol à l’espace, puis que vous l’utilisez pour créer une couche de l’eau sur le sol, elle doit mesurer moins de 1 millimètre de profondeur. Le très beau temps est inférieur à un demi-millimètre.
Pendant le reste de leur période d’observation officielle, jusqu’au 7 décembre, alors même que les chercheurs chiliens buvaient trois litres d’eau ou plus chaque jour pour rester hydratés, l’atmosphère est restée obstinément humide. L’équipe s’est demandé si le ciel serait jamais suffisamment dégagé pour que ZEUS-2 puisse collecter plus de données. Pendant qu’ils attendaient, Stacey et Nikola ont effectué des exercices d’observation avec l’équipe à Ithaca. Ils ont également vérifié et revérifié ZEUS-2, un exercice utile, a déclaré Stacey, mais qui n’apporte pas de nouvelles données.
Le 7 décembre, la course d’observation commençait à ressembler à un lavage. Ils devaient quitter le télescope le lendemain pour faire place à la prochaine équipe de chercheurs, déjà arrivée au camp de base.
Cette équipe était dirigée par le co-auteur occasionnel de Stacey, Carlos De Breuck, scientifique du projet à l’Observatoire européen austral. Alors que De Breuck et son équipe discutaient avec les astronomes de Cornell dans la salle de contrôle et la cafétéria du camp de base, ils ont réalisé la terrible chance que Stacey et Nikola avaient. De Breuck leur a généreusement offert une partie du temps de son équipe sur le télescope, dont un moment crucial la nuit dernière, du 12 au 13 décembre.
« J’étais stupéfaite et très contente », a déclaré Stacey. « C’était gentil de leur part. » Le temps sera rendu à De Breuck à une date ultérieure.
Les 12 et 13 décembre, avec un ciel clair au-dessus d’Atacama et des performances sans faille du télescope et de ZEUS-2, l’équipe a pointé le télescope vers leurs cibles : deux galaxies avec de grandes masses et une luminosité élevée. Stacey a déclaré que ces galaxies existaient à « l’époque de l’assemblage des galaxies », juste avant la période de pointe de la formation d’étoiles dans l’univers.
L’équipe a détecté une émission de raie O ++ étonnamment faible des deux galaxies, indiquant que la formation d’étoiles semble être déclenchée par des collisions entre les deux galaxies, plutôt que par l’accrétion de gaz du réseau cosmique. C’était précisément les données qu’ils étaient venus collecter au Chili.
Les derniers jours de leurs recherches APEX se passèrent dans un flou de concentration intense et de peu de sommeil. L’équipe d’Ithaca a continué à collecter des données même lorsque le soleil s’est levé le 13 décembre et que Stacey et Nikola ont parcouru 90 minutes en voiture sur la route de montagne jusqu’au sommet pour emballer le ZEUS-2.
« Dès qu’ils ont fait la dernière observation et étalonnage, nous avons commencé à démonter les choses », a déclaré Nikola.
Normalement, il faut cinq à sept jours pour démonter ZEUS-2. Cette fois, ils n’avaient que 36 heures.
Alors qu’ils se précipitaient pour faire leurs valises, Stacey a reçu un appel du directeur de la station APEX: « J’ai entendu dire que vous n’aviez pas dormi la nuit dernière », a-t-il déclaré.
Stacey s’arrêta une seconde, pensant au trajet jusqu’à la route de montagne escarpée après une nuit blanche d’observation, et avoua : « Oui. »
« Ce n’est pas sûr », a déclaré le directeur. « J’envoie quelqu’un pour vous conduire en voiture. »
Stacey y réfléchit une microseconde. « Merci, » dit-il. Lui et Nikola avaient terminé en toute sécurité l’étape critique du démontage du ZEUS-2 de l’APEX, et il n’y avait aucun sens à risquer de s’endormir pendant la descente.
Avec le soutien du personnel de l’APEX, les chercheurs de Cornell ont stocké leur instrument à l’APEX, entièrement assemblé et emballé dans du plastique pour empêcher le sable fin et soufflant d’Atacama d’entrer, et ont commencé leur long retour à Ithaca.
ZEUS-2 ne restera pas longtemps inactif. Les astronomes ont analysé leurs données à partir de décembre et ont demandé plus de temps d’observation sur divers télescopes à travers le monde. Entre autres observations à venir, le groupe de Stacey reviendra à l’APEX cet été.
« Cette course a été une aventure », a déclaré Stacey, « l’une des courses d’observation les plus difficiles que nous ayons jamais réalisées. »