Miguel Pereira Santaella, Chercheur associé au département de physique de l'Université d'Oxford, discute de ses travaux récemment publiés sur l'observation de transitions d'eau jamais vues auparavant dans l'espace. Il explique comment la découverte aidera les scientifiques à répondre aux grandes questions planétaires et à mieux comprendre l'univers.

Des nuages ​​aux rivières, et des glaciers aux océans, l'eau est partout sur Terre. Ce qui est moins connu, bien que, est l'abondance de la molécule dans l'espace.

Contrairement à la Terre, la majeure partie de l'eau dans l'espace prend soit la forme de vapeur, soit la forme de manteaux de glace collés aux grains de poussière interstellaires. En effet, la densité extrêmement faible de l'espace interstellaire - qui est des milliards de fois inférieure à l'air, empêche la formation d'eau liquide. la naissance des formations stellaires peut nous renseigner sur le comportement de l'Univers. Mais, puisque la seule façon de les étudier dans de tels environnements obscurcis par la poussière est à travers la lumière infrarouge, détecter les transitions d'eau capables de détecter cette lumière, est d'une importance vitale.

Les molécules d'eau subissent des niveaux d'énergie quantique fluctuants. Cette activité permet de les observer et est connue sous le nom de transition hydrique. Le terme désigne le meilleur point d'observation scientifique, qui est la longueur d'onde exacte à laquelle les molécules d'eau passent d'un état quantique à un autre, émettant de la lumière et augmentant ainsi leur visibilité.

La majorité de ces transitions sont peu énergétiques donc elles apparaissent dans l'infrarouge lointain et submillimétrique du spectre électromagnétique, avec de minuscules longueurs d'onde (allant de 50 m à 1000 m (1 mm)). Il est très difficile d'observer ces transitions d'eau depuis le sol car la vapeur épaisse de l'atmosphère terrestre bloque presque complètement l'émission de la vue.

Les améliorations technologiques et le développement de super télescopes offrent une porte d'entrée croissante vers l'univers, et les connaissances planétaires évoluent à un rythme rapide. Nous pouvons maintenant détecter les transitions de l'eau d'une manière que nous ne pouvions tout simplement pas auparavant. Ils sont mieux vus depuis les observatoires télescopiques situés à haute altitude, dans des sites extrêmement secs. Tel que, l'Atacama Large Millimeter Array (ALMA), qui est situé dans le désert d'Atacama (Chili) à 5000 m d'altitude.

Dans notre étude publiée dans Astronomie &Astrophysique , nous avons utilisé ALMA et détecté la transition de l'eau (670 μm) dans l'espace, pour la première fois. Les molécules ont été repérées dans une galaxie spirale voisine (à 160 millions d'années-lumière) à un point où l'Univers est considérablement étendu, et l'atmosphère est donc la plus transparente (décalée vers le rouge à 676 m).

L'émission de vapeur d'eau dans cette galaxie provient de son cœur, dans son noyau, où a lieu la plupart des formations d'étoiles. Pour vous donner une idée de l'ampleur de cette galaxie, le noyau contient une quantité d'eau équivalente à 30 000 milliards de fois celle des océans de la Terre réunis, et a un diamètre de 15 millions de fois la distance de la Terre au Soleil.

Alors, qu'est-ce qui distingue cette transition de l'eau des autres observées dans le passé ? Notre analyse a révélé que ces molécules d'eau intensifient leur taux d'émission lorsqu'elles entrent en contact avec des photons de lumière infrarouge. Cette augmentation d'activité permet aux scientifiques de les observer plus facilement. Les molécules d'eau sont les plus attirées par les photons avec des longueurs d'onde spécifiques de 79 et 132 m, lequel, une fois absorbé, renforcer les contours de la transition, augmentant ainsi sa visibilité. Pour cette raison, cette transition spécifique de l'eau a la capacité de nous montrer l'intensité de la lumière infrarouge dans le noyau des galaxies, à des échelles spatiales beaucoup plus petites que celles permises par les observations infrarouges directes.

La lumière infrarouge est produite lors d'événements tels que la croissance de trous noirs supermassifs ou des sursauts extrêmes de formation d'étoiles. Ces événements se produisent généralement dans des environnements extrêmement poussiéreux où la lumière optique est presque complètement absorbée par les grains de poussière. L'énergie absorbée par les grains augmente leur température et ils commencent à émettre un rayonnement thermique dans l'infrarouge.

Capturer ces événements peut nous en dire beaucoup sur le comportement de l'Univers. Mais, puisque la seule façon de les étudier dans de tels environnements obscurcis par la poussière est à travers la lumière infrarouge, détecter les transitions d'eau qui captent cette lumière infrarouge, c'est essentiel.

À l'avenir, nous prévoyons d'observer cette transition de l'eau dans plus de galaxies où la poussière bloque toute la lumière optique. Cela révélera ce qui se cache derrière ces écrans de poussière et nous aidera à comprendre comment les galaxies évoluent à partir de spirales de formation d'étoiles, comme la voie lactée, aux galaxies elliptiques mortes où aucune nouvelle étoile ne se forme.