Image montrant une tranche de la carte simulée de 21 cm pendant l'aube cosmique, où les taches bleues et rouges (qui dénotent une absorption et une émission de 21 cm) sont préférentiellement séparées de 150 Mpc, la longueur de notre règle standard. Crédit :Julian B. Muñoz.
Notre compréhension actuelle de la physique suggère qu'il existe deux principaux types de matière dans l'univers connus sous le nom de matière noire et baryonique. La matière noire est composée de matériaux que les scientifiques ne peuvent pas observer directement, car il n'émet ni lumière ni énergie. D'autre part, la matière baryonique est constituée de matière atomique normale, y compris les protons, neutrons et électrons.
Contrairement à la matière noire, la matière baryonique peut interagir avec les photons, donnant lieu à ce que l'on appelle des oscillations acoustiques baryoniques (BAO), qui sont essentiellement des fluctuations de densité causées par les ondes acoustiques. Lors de la production de BAO, les mêmes interactions génèrent également des vitesses relatives supersoniques entre la matière noire et les baryons.
Ces vitesses générées sont connues pour entraver la formation des premières étoiles à l'aube cosmique, l'ère après le Big Bang où les premières étoiles et galaxies ont fait leur apparition, moduler le signal attendu de cette époque spécifique. Dans une fascinante étude en deux parties, un chercheur de l'université Harvard a récemment montré que cette modulation du signal prend la forme d'oscillations acoustiques induites par la vitesse (VAO) robustes, ce qui pourrait à son tour fournir des informations précieuses sur l'ère de l'aube cosmique.
"L'idée que la matière noire et les baryons ont une grande vitesse relative existe depuis 2010, " Julian B. Muñoz, le chercheur qui a réalisé l'étude, dit Phys.org. "En réalité, cette même année, d'autres chercheurs ont réalisé que cette vitesse relative aurait un impact important sur la formation des premières étoiles. Bien que nous ne puissions pas voir directement ces étoiles, comme ils sont très éloignés et sombres, ils peuvent être détectés indirectement à l'aide de la raie à 21 cm de l'hydrogène."
Lorsque Muñoz a commencé à travailler sur son projet, il souhaitait initialement mettre en œuvre les effets de vitesse relative à l'aide d'un code de simulation public connu sous le nom de 21cmFAST, qui est l'outil standard utilisé par les cosmologues pour comprendre le signal cosmique de 21 cm. Il a ensuite présenté les résultats de ces simulations dans un article publié dans Examen physique D .
« Au cours de mes simulations, J'ai réalisé que l'ajout des vitesses produit des oscillations acoustiques induites par la vitesse (VAO) robustes dans le signal de 21 cm, qui ont la même origine que les oscillations acoustiques baryoniques (BAO) auxquelles nous sommes habitués, mais sont produits par des vitesses relatives, et non sur/sous-densités, " a déclaré Muñoz. " Ces VAO impriment l'échelle acoustique baryonique de 150 Mpc sur les cartes de 21 cm, qui peut ensuite être utilisé comme règle standard."
Dans un nouvel article publié dans Lettres d'examen physique , Muñoz a ensuite introduit l'idée que les VAO résultant du couplage de la matière baryonique et des photons entraînent une oscillation spatiale du signal de 21 cm (généralement utilisé pour détecter les étoiles), avec une période connue de 150 Mpc (environ 450 millions d'années-lumière). Il suggère alors que la forme et les caractéristiques de ces oscillations sont connues, ils peuvent être utilisés comme règle standard pour mesurer la taille de l'univers pendant l'aube cosmique (c'est-à-dire, un quart de milliard d'années après le Big Bang).
L'idée introduite par Muñoz est pour le moins fascinante, car les astrophysiciens n'ont actuellement aucun autre moyen d'accéder à cette ère cosmique spécifique. En d'autres termes, cette mesure ou "règle standard" serait la première du genre, ouvrant de nouvelles possibilités passionnantes pour les études liées au signal de 21 cm, tels que le projet HERA (Epoch of Reionization Array).
Le projet HERA est une collaboration entre des astrophysiciens et des chercheurs des États-Unis, Les institutions sud-africaines et britanniques visaient à construire un télescope capable de détecter de manière robuste la signature du spectre de puissance de l'hydrogène décalée vers le rouge à l'époque de la réionisation (EOR). Un autre objectif de ce projet sera la collecte de données qui pourraient élargir la compréhension actuelle de l'ère de l'aube cosmique.
"L'un des objectifs de mon projet était d'inclure les vitesses relatives sur le code public 21cm 21cmFAST, puisqu'ils changent toutes les prédictions pendant l'aube cosmique, " a déclaré Muñoz. "Ceci est nécessaire pour comprendre le signal de 21 cm qui, espérons-le, sera détecté dans les prochaines années, par exemple, par la collaboration HERA."
Comme Muñoz l'explique, la modulation induite par les VAO est un phénomène intéressant en soi, à mesure que la physique acoustique des baryons s'imprime sur la distribution des premières étoiles et donc sur des cartes à 21 cm. Précisément parce que la physique acoustique des baryons est connue, ces vitesses pourraient fournir une règle standard robuste pendant l'aube cosmique.
"Mesurer la taille de l'univers à l'aube cosmique serait passionnant, puisque cette ère est à mi-chemin entre le fond diffus cosmologique (CMB) et l'univers local, qui sont en désaccord sur les mesures de la taille de l'univers (la fameuse tension H0 entre supernovae et données CMB), " a déclaré Muñoz.
La collaboration HERA commencera bientôt à collecter des données liées au signal de puissance de 21 cm émis à l'aube cosmique. Une fois ces données disponibles, il pourrait être utilisé pour mesurer le taux d'expansion de l'univers pendant l'aube cosmique, une époque qui est jusqu'à présent restée un mystère en raison d'un manque d'outils pour l'enquêter. Quand cela arrive, les idées introduites par Muñoz pourraient s'avérer extrêmement précieuses, car ils mettent en évidence l'utilisation possible des VAO comme règle standard à cette époque non sondée auparavant.
Bien que la théorie introduite dans ce projet puisse être d'une grande valeur, certains aspects des VAO sont encore mal compris. Dans son futur travail, Muñoz prévoit de continuer à enquêter sur les VAO, par exemple en essayant de mieux comprendre comment ils modulent la rétroaction sur la première formation stellaire, ce qui n'est pas clair actuellement.
"Je compte également affiner les prévisions en incluant des modèles de premier plan et de bruit plus complexes, qui imitent ceux de l'instrument HERA, HERA étant très susceptible d'observer ces VAO au cours de la prochaine décennie, " a déclaré Muñoz.
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