Le rendu de cet artiste montre le premier de l'univers, massif, étoiles bleues noyées dans des filaments gazeux, avec le fond de micro-ondes cosmique juste visible sur les bords. À l'aide d'observations radio de l'univers lointain, Les chercheurs financés par la NSF Judd Bowman de l'Arizona State University, Alan Rogers du MIT et leurs collègues ont découvert l'influence de ces premières étoiles sur le gaz primordial. Bien qu'ils ne puissent pas voir directement la lumière des étoiles massives, L'équipe de Bowman a pu déduire leur présence de la gradation du fond diffus cosmologique (CMB), résultat des filaments gazeux absorbant la lumière UV des étoiles. Le CMB est plus faible que prévu, indiquant que les filaments peuvent avoir été plus froids que prévu, peut-être des interactions avec la matière noire. Crédit :N.R.Fuller, Fondation nationale de la science
Il y a longtemps, environ 400, 000 ans après le début de l'univers (le Big Bang), l'univers était sombre. Il n'y avait pas d'étoiles ou de galaxies, et l'univers était principalement rempli d'hydrogène gazeux neutre.
Puis, pour les 50 à 100 millions d'années à venir, la gravité a lentement rapproché les régions de gaz les plus denses jusqu'à ce que finalement le gaz s'effondre à certains endroits pour former les premières étoiles.
Comment étaient ces premières étoiles et quand se sont-elles formées ? Comment ont-ils affecté le reste de l'univers ? Ce sont des questions que les astronomes et les astrophysiciens se posent depuis longtemps.
Maintenant, après 12 ans d'efforts expérimentaux, une équipe de scientifiques, dirigé par Judd Bowman, astronome de l'ASU School of Earth and Space Exploration, a détecté les empreintes digitales des premières étoiles de l'univers. En utilisant des signaux radio, la détection fournit la première preuve des ancêtres les plus anciens de notre arbre généalogique cosmique, né à peine 180 millions d'années après le début de l'univers.
« Il y avait un grand défi technique pour faire cette détection, car les sources de bruit peuvent être mille fois plus lumineuses que le signal - c'est comme être au milieu d'un ouragan et essayer d'entendre le battement d'aile d'un colibri", explique Peter Kurczynski, l'agent de programme de la National Science Foundation qui a soutenu cette étude. "Ces chercheurs avec une petite antenne radio dans le désert ont vu plus loin que les télescopes spatiaux les plus puissants, ouvrant une nouvelle fenêtre sur l'univers primitif."
Dans chaque instrument, les ondes radio sont captées par une antenne constituée de deux panneaux métalliques rectangulaires montés horizontalement sur des pieds en fibre de verre au-dessus d'un treillis métallique. La détection EDGES a nécessité le silence radio à l'observatoire de radioastronomie de Murchison, car la législation nationale australienne limite l'utilisation d'émetteurs radio à proximité du site. Cette découverte ouvre la voie à des observations de suivi avec d'autres installations puissantes à basse fréquence, y compris HERA et le prochain SKA-low. Crédit :CSIRO Australie
Radioastronomie
Pour trouver ces empreintes digitales, L'équipe de Bowman a utilisé un instrument au sol appelé spectromètre radio, situé à l'observatoire de radioastronomie de Murchison (MRO) de l'agence scientifique nationale australienne (CSIRO) en Australie occidentale. Grâce à leur expérience de détection de la signature globale EoR (EDGES), l'équipe a mesuré le spectre radio moyen de tous les signaux astronomiques reçus dans la majeure partie du ciel de l'hémisphère sud et a recherché de petits changements de puissance en fonction de la longueur d'onde (ou de la fréquence).
Lorsque les ondes radio pénètrent dans l'antenne au sol, ils sont amplifiés par un récepteur, puis numérisé et enregistré par ordinateur, similaire au fonctionnement des récepteurs de radio FM et des récepteurs de télévision. La différence est que l'instrument est calibré très précisément et conçu pour fonctionner aussi uniformément que possible sur de nombreuses longueurs d'onde radio.
Les signaux détectés par le spectromètre radio dans cette étude provenaient du gaz hydrogène primordial qui remplissait le jeune univers et existait entre toutes les étoiles et les galaxies. Ces signaux contiennent une mine d'informations qui ouvrent une nouvelle fenêtre sur la façon dont les premières étoiles - et plus tard, trous noirs, et les galaxies - formées et évoluées.
"Il est peu probable que nous puissions voir plus tôt dans l'histoire des étoiles de notre vivant, " dit Bowman. " Ce projet montre qu'une nouvelle technique prometteuse peut fonctionner et a ouvert la voie à des décennies de nouvelles découvertes astrophysiques. "
Cette détection met en évidence le silence radio exceptionnel du MRO, d'autant plus que la caractéristique trouvée par EDGES chevauche la gamme de fréquences utilisée par les stations de radio FM. La législation nationale australienne limite l'utilisation d'émetteurs radio à moins de 260 km (161,5 miles) du site, réduisant considérablement les interférences qui pourraient autrement noyer les observations astronomiques sensibles.
Les résultats de cette étude ont été publiés récemment dans La nature par Bowman, avec les co-auteurs Alan Rogers de l'observatoire Haystack du Massachusetts Institute of Technology, Raul Monsalve de l'Université du Colorado, et Thomas Mozdzen et Nivedita Mahesh, également de l'École d'exploration de la Terre et de l'espace de l'ASU.
Une chronologie de l'univers, mis à jour pour montrer quand les premières étoiles ont émergé. Cette chronologie mise à jour de l'univers reflète la découverte récente que les premières étoiles ont émergé 180 millions d'années après le Big Bang. La recherche derrière cette chronologie a été menée par Judd Bowman de l'Arizona State University et ses collègues, avec le financement de la National Science Foundation. Crédit :N.R.Fuller, Fondation nationale de la science
Résultats inattendus
Les résultats de cette expérience confirment les attentes théoriques générales concernant la formation des premières étoiles et les propriétés les plus fondamentales des premières étoiles.
"Que se passe-t-il dans cette période, " déclare le co-auteur Rogers de l'observatoire Haystack du MIT, "est qu'une partie du rayonnement des toutes premières étoiles commence à permettre à l'hydrogène d'être vu. Cela fait que l'hydrogène commence à absorber le rayonnement de fond, alors tu commences à le voir en silhouette, à des fréquences radio particulières. C'est le premier vrai signal que les étoiles commencent à se former, et commencent à affecter le milieu autour d'eux."
L'équipe a initialement accordé son instrument pour regarder plus tard dans le temps cosmique, mais en 2015 a décidé d'étendre leur recherche. "Dès que nous avons basculé notre système sur cette gamme inférieure, nous avons commencé à voir des choses qui, selon nous, pourraient être une véritable signature, ", dit Rogers. "Nous voyons cette baisse le plus fortement à environ 78 mégahertz, et cette fréquence correspond à environ 180 millions d'années après le Big Bang, " dit Rogers. " En termes de détection directe d'un signal du gaz hydrogène lui-même, ça doit être le plus tôt."
L'étude a également révélé que le gaz dans l'univers était probablement beaucoup plus froid que prévu (moins de la moitié de la température attendue). Cela suggère que soit les efforts théoriques des astrophysiciens ont négligé quelque chose d'important, soit que cela peut être la première preuve d'une physique non standard :que les baryons (matière normale) peuvent avoir interagi avec la matière noire et lentement perdu de l'énergie en matière noire dans l'univers primitif, un concept qui a été initialement proposé par Rennan Barkana de l'Université de Tel Aviv.
"Si l'idée de Barkana est confirmée, " dit Bowman, « alors nous avons appris quelque chose de nouveau et de fondamental sur la mystérieuse matière noire qui constitue 85 % de la matière de l'univers, offrant le premier aperçu de la physique au-delà du modèle standard."
Les prochaines étapes de cet axe de recherche sont qu'un autre instrument confirme la détection de cette équipe et continue d'améliorer les performances des instruments, afin que l'on puisse en apprendre davantage sur les propriétés des étoiles primitives. « Nous avons travaillé très dur ces deux dernières années pour valider la détection, " dit Bowman, "mais le fait qu'un autre groupe le confirme indépendamment est une partie critique du processus scientifique."
Bowman aimerait également voir une accélération des efforts pour mettre en place de nouveaux radiotélescopes comme le réseau de réionisation à l'hydrogène (HERA) et le réseau à longue longueur d'onde d'Owens Valley (OVRO-LWA).
"Maintenant que nous savons que ce signal existe, " dit Bowman, « nous devons rapidement mettre en ligne de nouveaux radiotélescopes qui seront capables d'exploiter le signal beaucoup plus profondément. »
Les antennes et les parties du récepteur utilisées dans cette expérience ont été conçues et construites par Rogers et l'équipe de l'observatoire MIT Haystack. L'équipe ASU et Monsalve ont ajouté le système automatisé de mesure de la réflexion de l'antenne au récepteur, équipé la cabane de contrôle avec l'électronique, construit le plan de masse et mené les travaux sur le terrain pour le projet. La version actuelle d'EDGES est le résultat d'années d'itération de conception et de perfectionnement technique détaillé continu de l'instrumentation d'étalonnage pour atteindre les niveaux de précision nécessaires pour réussir cette mesure difficile.
