Des astrophysiciens australiens ont jeté un nouvel éclairage sur l’état de l’univers il y a 13 milliards d’années en mesurant la densité de carbone dans les gaz entourant les anciennes galaxies.
L’étude, publiée dans Avis mensuels de la Royal Astronomical Societyajoute une autre pièce au puzzle de l’histoire de l’univers.
« Nous avons constaté que la fraction de carbone dans le gaz chaud a augmenté rapidement il y a environ 13 milliards d’années, ce qui peut être lié au réchauffement à grande échelle du gaz associé au phénomène connu sous le nom d’époque de réionisation », explique le Dr Rebecca Davies, ASTRO 3D Associé de recherche postdoctoral à l’Université de technologie de Swinburne, Australie et auteur principal de l’article décrivant la découverte.
L’étude montre que la quantité de carbone chaud a soudainement augmenté d’un facteur cinq sur une période de seulement 300 millions d’années – un clin d’œil à des échelles de temps astronomiques.
Alors que des études antérieures ont suggéré une augmentation du carbone chaud, des échantillons beaucoup plus grands – la base de la nouvelle étude – étaient nécessaires pour fournir des statistiques permettant de mesurer avec précision le taux de cette croissance.
« C’est ce que nous avons fait ici. Et donc, nous présentons deux interprétations potentielles de cette évolution rapide », explique le Dr Davies.
La première est qu’il y a une augmentation initiale du carbone autour des galaxies simplement parce qu’il y a plus de carbone dans l’univers.
« Pendant la période où les premières étoiles et galaxies se forment, beaucoup d’éléments lourds se forment parce que nous n’avions jamais eu de carbone avant d’avoir des étoiles », explique le Dr Davies. « Et donc l’une des raisons possibles de cette ascension rapide est simplement que nous voyons les produits des premières générations de stars. »
Cependant, l’étude a également trouvé des preuves que la quantité de carbone frais a diminué au cours de la même période. Cela suggère qu’il pourrait y avoir deux phases différentes dans l’évolution du carbone – une augmentation rapide pendant la réionisation, suivie d’un aplatissement.
L’époque de la réionisation, qui a eu lieu alors que l’univers n’avait « que » un milliard d’années, a été le moment où les lumières se sont rallumées après l’âge cosmique des ténèbres après le Big Bang.
Avant cela, l’univers était un brouillard de gaz sombre et dense. Mais lorsque les premières étoiles massives se sont formées, leur lumière a commencé à briller dans l’espace et à réioniser le cosmos. Cette lumière peut avoir conduit à un échauffement rapide du gaz environnant, provoquant l’augmentation du carbone chaud observée dans cette étude.
Les études de réionisation sont essentielles pour comprendre quand et comment les premières étoiles se sont formées et ont commencé à produire les éléments qui existent aujourd’hui. Mais les mesures ont été notoirement difficiles.
« La recherche menée par le Dr Davies a été construite sur un échantillon exceptionnel de données obtenues au cours de 250 heures d’observations sur le Very Large Telescope (VLT) à l’Observatoire européen austral au Chili », explique le Dr Valentina D’Odorico de l’Institut italien. pour l’astrophysique, le chercheur principal du programme d’observation. « Il s’agit du plus grand temps d’observation attribué à un seul projet réalisé avec le spectrographe X-shooter.
« Grâce au VLT de 8 m, nous avons pu observer certains des quasars les plus éloignés, qui agissent comme des lampes de poche, illuminant les galaxies le long du chemin allant de l’univers primitif à la Terre. »
Alors que la lumière du quasar traverse les galaxies au cours de son voyage de 13 milliards d’années à travers l’univers, certains photons sont absorbés, créant des motifs distinctifs semblables à des codes-barres dans la lumière, qui peuvent être analysés pour déterminer la composition chimique et la température du gaz dans les galaxies. .
Cela donne une image historique du développement de l’univers.
« Ces ‘codes-barres’ sont capturés par les détecteurs du spectrographe X-Shooter du VLT », explique le Dr Davies. « Cet instrument divise la lumière de la galaxie en différentes longueurs d’onde, comme faire passer la lumière à travers un prisme, nous permettant de lire les codes-barres et de mesurer les propriétés de chaque galaxie. »
L’étude dirigée par le Dr Davies a capturé plus de codes-barres de galaxies anciennes que jamais auparavant.
« Nous avons augmenté de 12 à 42 le nombre de quasars pour lesquels nous disposions de données de haute qualité, permettant enfin une mesure détaillée et précise de l’évolution de la densité de carbone », explique le Dr D’Odorico.
Cette avancée majeure a été rendue possible par le VLT de l’ESO, l’un des télescopes les plus avancés sur Terre et un partenaire stratégique de l’Australie.
« L’étude fournit un ensemble de données héritées qui ne sera pas significativement améliorée tant que les télescopes de classe 30m ne seront pas mis en ligne vers la fin de cette décennie », déclare la professeure Emma Ryan-Weber, chercheuse en chef au Centre d’excellence ARC pour l’astrophysique du ciel en 3 Dimensions (ASTRO 3D) et deuxième auteur de l’étude. « Des données de haute qualité provenant d’encore plus tôt dans l’univers nécessiteront l’accès à des télescopes comme l’Extremely Large Telescope (ELT) actuellement en construction au Chili. »
Les astronomes utilisent de nombreux types de données différents pour construire une histoire de l’univers.
« Nos résultats sont cohérents avec des études récentes montrant que la quantité d’hydrogène neutre dans l’espace intergalactique diminue rapidement à peu près au même moment », déclare le Dr Davies.
« Cette recherche ouvre également la voie à de futures investigations avec le Square Kilometre Array (SKA), qui vise à détecter directement les émissions d’hydrogène neutre au cours de cette phase clé de l’histoire de l’univers. »
Le professeur Ryan-Weber dit que la recherche va au cœur de la mission d’ASTRO 3D pour comprendre l’évolution des éléments, du Big Bang à nos jours : « Elle répond à cet objectif clé : comment les éléments constitutifs de la vie – dans ce cas le carbone – proliférer à travers l’univers ?
« En tant qu’êtres humains, nous nous efforçons de comprendre ‘D’où venons-nous ?’ C’est incroyable de penser que le code-barres de ces atomes de carbone vieux de 13 milliards d’années ait été imprimé sur des photons à une époque où […] La Terre n’existait même pas. Ces photons ont voyagé à travers l’univers, dans le VLT, puis ont été utilisés pour développer une image de l’évolution de l’univers. »
Plus d’information:
Rebecca Davies et al, Examen du déclin du contenu C ~ IV de l’univers sur 4,3 = z = 6,3 à l’aide de l’échantillon E-XQR-30, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society (2023). DOI : 10.1093/mnras/stad294
Fourni par ARC Center of Excellence for All Sky Astrophysics in 3D (ASTRO 3D)