Les astronomes du MIT et d'ailleurs ont utilisé un amas massif de galaxies comme loupe à rayons X pour remonter dans le temps, à près de 9,4 milliards d'années. Dans le processus, ils ont repéré une toute petite galaxie naine dans sa toute première, stades à haute énergie de la formation des étoiles.

Alors que les amas de galaxies ont été utilisés pour agrandir des objets à des longueurs d'onde optiques, c'est la première fois que des scientifiques exploitent ces géantes gravitationnelles massives pour zoomer sur l'extrême, loin, Phénomènes d'émission de rayons X.

Ce qu'ils ont détecté semble être un point bleu d'une galaxie naissante, environ 1/10, 000 la taille de notre Voie Lactée, en train de produire ses premières étoiles, supermassives, des objets à courte durée de vie cosmique qui émettent des rayons X de haute énergie, que les chercheurs ont détecté sous la forme d'un arc bleu vif.

"C'est cette petite tache bleue, ce qui signifie que c'est une très petite galaxie qui contient beaucoup de super-chaud, jeunes étoiles très massives qui se sont formées récemment, " dit Matthew Bayliss, chercheur à l'Institut Kavli d'astrophysique et de recherche spatiale du MIT. "Cette galaxie est similaire aux toutes premières galaxies qui se sont formées dans l'univers...

Bayliss dit la détection de ce single, galaxie lointaine est la preuve que les scientifiques peuvent utiliser les amas de galaxies comme loupes naturelles de rayons X, choisir l'extrême, phénomènes hautement énergétiques au début de l'histoire de l'univers.

« Avec cette technique, nous pourrions, à l'avenir, zoomez sur une galaxie lointaine et datez différentes parties de celle-ci, c'est-à-dire cette partie a des étoiles qui se sont formées il y a 200 millions d'années, contre une autre partie qui s'est formée il y a 50 millions d'années, et les séparer d'une manière que vous ne pouvez pas faire autrement, " dit Bayliss, qui passera à l'Université de Cincinnati en tant que professeur adjoint de physique.

Lui et ses co-auteurs, dont Michael McDonald, professeur assistant de physique au MIT, ont publié leurs résultats dans la revue Astronomie de la nature .

Une bougie à la lumière

Les amas de galaxies sont les objets les plus massifs de l'univers, composé de milliers de galaxies, tous liés ensemble par la gravité comme un énorme, force puissante. Les amas de galaxies sont si massifs, et leur attraction gravitationnelle est si forte, qu'ils peuvent déformer le tissu de l'espace-temps, courbant l'univers et toute lumière environnante, un peu comme un éléphant s'étirerait et déformerait un filet de trapèze.

Les scientifiques ont utilisé des amas de galaxies comme des loupes cosmiques, avec une technique connue sous le nom de lentille gravitationnelle. L'idée est que si les scientifiques peuvent approximer la masse d'un amas de galaxies, ils peuvent estimer ses effets gravitationnels sur toute lumière environnante, ainsi que l'angle auquel un cluster peut dévier cette lumière.

Par exemple, imaginez si un observateur, face à un amas de galaxies, essayaient de détecter un objet, comme une seule galaxie, derrière ce cluster. La lumière émise par cet objet voyagerait directement vers l'amas, puis courbez-vous autour du cluster. Il continuerait à voyager vers l'observateur, bien qu'à des angles légèrement différents, apparaissant à l'observateur comme des images en miroir du même objet, qui à la fin peut être combiné en un seul, image « agrandie ».

Les scientifiques ont utilisé des amas de galaxies pour agrandir des objets à des longueurs d'onde optiques, mais jamais dans la bande des rayons X du spectre électromagnétique, principalement parce que les amas de galaxies eux-mêmes émettent une énorme quantité de rayons X. Les scientifiques ont pensé que les rayons X provenant d'une source de fond seraient impossibles à discerner à partir de l'éblouissement de l'amas.

"Si vous essayez de voir une source de rayons X derrière un cluster, c'est comme essayer de voir une bougie à côté d'une lumière très vive, " Bayliss dit. "Nous savions donc que c'était une mesure difficile à faire."

Soustraction aux rayons X

Les chercheurs se sont demandé :pourraient-ils soustraire cette lumière vive et voir la bougie derrière elle ? En d'autres termes, pourraient-ils supprimer les émissions de rayons X provenant de l'amas de galaxies, pour voir les rayons X beaucoup plus faibles provenant d'un objet, derrière et magnifié par le cluster?

L'équipe a testé cette idée avec des observations prises par l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA, l'un des télescopes spatiaux à rayons X les plus puissants au monde. Ils se sont notamment penchés sur les mesures de Chandra de l'amas de Phoenix, un amas de galaxies lointain situé à 5,7 milliards d'années-lumière de la Terre, qui a été estimée à environ un quadrillion de fois plus massive que le soleil, avec des effets gravitationnels qui devraient en faire un puissant, lentille grossissante naturelle.

"L'idée est de prendre quel que soit votre meilleur télescope à rayons X - dans ce cas, Chandra—et utilisez une lentille naturelle pour agrandir et agrandir efficacement Chandra, pour que vous puissiez voir des choses plus lointaines, " dit Bayliss.

Lui et ses collègues ont analysé les observations de l'amas de Phoenix, pris en continu par Chandra pendant plus d'un mois. Ils ont également regardé des images de l'amas prises par deux télescopes optiques et infrarouges :le télescope spatial Hubble et le télescope Magellan au Chili. Avec toutes ces différentes vues, l'équipe a développé un modèle pour caractériser les effets optiques de l'amas, qui a permis aux chercheurs de mesurer avec précision les émissions de rayons X du cluster lui-même, et le soustraire des données.

Ils se sont retrouvés avec deux modèles similaires d'émissions de rayons X autour de l'amas, dont ils ont déterminé qu'ils étaient "lentillés, " ou courbé gravitationnellement, par le cluster. Lorsqu'ils ont retracé les émissions dans le temps, ils ont découvert qu'ils provenaient tous d'un seul, source lointaine :une minuscule galaxie naine d'il y a 9,4 milliards d'années, lorsque l'univers lui-même avait environ 4,4 milliards d'années, soit environ un tiers de son âge actuel.

"Précédemment, Chandra n'avait vu qu'une poignée de choses à cette distance, " Bayliss dit. "Dans moins de 10 pour cent du temps, nous avons découvert cet objet, aussi loin. Et la lentille gravitationnelle est ce qui nous permet de le faire. »

La combinaison de Chandra et du pouvoir optique naturel de l'amas de Phoenix a permis à l'équipe de voir la minuscule galaxie se cachant derrière l'amas, grossie environ 60 fois. A cette résolution, ils ont pu zoomer pour discerner deux amas distincts dans la galaxie, l'un produisant beaucoup plus de rayons X que l'autre.

Comme les rayons X sont généralement produits pendant des périodes extrêmes, phénomènes de courte durée, les chercheurs pensent que le premier amas riche en rayons X signale une partie de la galaxie naine qui a très récemment formé des étoiles supermassives, tandis que la région la plus calme est une région plus ancienne qui contient des étoiles plus matures.

"Nous attrapons cette galaxie à un stade très utile, où se trouvent ces très jeunes stars, " Bayliss dit. "Chaque galaxie a dû commencer dans cette phase, mais nous ne voyons pas beaucoup de ce genre de galaxies dans notre propre voisinage. Maintenant, nous pouvons remonter dans le temps, regarde dans l'univers lointain, trouver des galaxies dans cette première phase de leur vie, et commencez à étudier en quoi la formation des étoiles est différente là-bas."