Les physiciens estiment que le Big Bang a eu lieu il y a environ 13,8 milliards d’années. Peu de temps après le Big Bang, des nuages massifs composés principalement d’hydrogène gazeux connus sous le nom de systèmes Damped Lyman-α (DLA) ont lentement commencé à se condenser dans les premières étoiles. Des groupes suffisamment grands d’étoiles et d’autres matières fusionneraient pour former des galaxies.
Les DLA agissent comme des pépinières galactiques et peuvent être observées aujourd’hui. Dans une recherche qui vient d’être publiée par une équipe internationale en Nature, les résultats d’une nouvelle méthode de détection des DLA sont présentés. La technique implique un nouvel instrument et un peu d’aide de l’univers lui-même sous la forme d’une conséquence géniale de la théorie de la relativité générale d’Einstein.
La méthode existante d’observation des nuages DLA utilise les quasars comme substitut d’une sorte de « contre-jour » cosmique. Les quasars sont des trous noirs supermassifs qui émettent un rayonnement gamma. Lorsque le rayonnement craché par le quasar traverse les DLA avant d’atteindre la Terre, une partie des rayons gamma est absorbée dans le gaz atomique dense qui compose le DLA, laissant une empreinte digitale sous la forme de raies d’absorption.
Mais cette méthode ne nous dit rien sur la géométrie ou la taille des pépinières galactiques, nous donnant uniquement des informations sur la section traversée par le sursaut gamma du quasar.
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“Les DLA sont une clé pour comprendre comment les galaxies se forment dans l’univers, mais elles sont généralement difficiles à observer car les nuages sont trop diffus et n’émettent pas de lumière eux-mêmes”, explique l’auteur principal du nouvel article, Rongmon Bordoloi, professeur adjoint de physique. à l’Université d’État de Caroline du Nord, aux États-Unis.
Au lieu de la méthode des quasars vieille de plusieurs décennies, l’équipe – qui comprend des contributeurs de l’Université de technologie de Swinburne en Australie et de l’Université nationale australienne – a trouvé un moyen d’utiliser la lentille gravitationnelle pour zoomer sur deux DLA vieux de 11 milliards d’années et le hôtes des galaxies à l’intérieur.
“Les galaxies à lentille gravitationnelle font référence aux galaxies qui semblent étirées et éclairées”, explique Bordoloi. “C’est parce qu’il y a une structure gravitationnellement massive devant la galaxie qui dévie la lumière qui en provient lorsqu’elle se dirige vers nous. Nous finissons donc par regarder une version étendue de l’objet – c’est comme utiliser un télescope cosmique qui augmente le grossissement et nous donne une meilleure visualisation.
« L’avantage est double. Premièrement, l’objet d’arrière-plan est étendu à travers le ciel et lumineux, il est donc facile de prendre des lectures de spectre sur différentes parties de l’objet. Deuxièmement, parce que la lentille étend l’objet, vous pouvez sonder de très petites échelles. Par exemple, si l’objet mesure une année-lumière de diamètre, nous pouvons étudier de petits morceaux avec une très haute fidélité. »
Une fois que le télescope cosmique fait son travail et étend le DLA à travers le ciel, le plus dur est de gagner des lectures. C’est normalement une tâche très difficile et qui prend du temps. L’équipe a contourné ce problème en effectuant une spectroscopie de champ intégrale avec le Keck Cosmic Web Imager – un instrument pour le télescope Keck II à l’observatoire WM Keck à Kamuela, Hawaï. Ce type de spectroscopie a permis aux chercheurs d’obtenir un spectre à chaque pixel de la carte 2D du ciel observé.
Non seulement l’équipe a pu déterminer la taille des deux DLA qu’ils ont trouvés, mais ils ont également détecté des galaxies hôtes dans les deux.
“J’ai attendu la majeure partie de ma carrière pour cette combinaison : un télescope et un instrument suffisamment puissants, et la nature nous donnant un peu d’alignements chanceux pour étudier non pas un mais deux DLA d’une nouvelle manière riche”, déclare John O’Meara, chef scientifique à l’observatoire WM Keck. “C’est formidable de voir la science se concrétiser.”
Chacun faisant plus des deux tiers de la taille de la Voie lactée – et plus de trois fois plus grand que la galaxie moyenne il y a 13 milliards d’années – les DLA sont énormes avec environ 57 000 années-lumière de diamètre.
“Mais pour moi, la chose la plus étonnante à propos des DLA que nous avons observées est qu’elles ne sont pas uniques – elles semblent avoir des similitudes de structure, des galaxies hôtes ont été détectées dans les deux, et leurs masses indiquent qu’elles contiennent suffisamment de carburant pour la prochaine génération de formation d’étoiles », dit Bordoloi.
Les scientifiques pensent que leur méthode permettra plus de détection et d’étude de DLA. “Avec cette nouvelle technologie à notre disposition, nous allons pouvoir approfondir la façon dont les étoiles se sont formées dans l’univers primitif”, ajoute Bordoloi.