Il y a environ 12 milliards d'années, l'univers a émergé d'un grand âge sombre cosmique lorsque les premières étoiles et galaxies se sont illuminées. Avec une nouvelle analyse des données collectées par le radiotélescope Murchison Widefield Array (MWA), les scientifiques sont maintenant plus près que jamais de détecter la signature ultra-faible de ce tournant de l'histoire cosmique.

Dans un article sur le site de préimpression ArXiv et sera bientôt publié dans The Journal d'astrophysique , les chercheurs présentent la première analyse des données d'une nouvelle configuration du MWA conçue spécifiquement pour rechercher le signal de l'hydrogène neutre, le gaz qui dominait l'univers pendant l'âge sombre cosmique. L'analyse définit une nouvelle limite - la limite la plus basse à ce jour - pour la force du signal d'hydrogène neutre.

"Nous pouvons dire avec certitude que si le signal d'hydrogène neutre était plus fort que la limite que nous avons fixée dans le document, alors le télescope l'aurait détecté, " a déclaré Jonathan Pober, professeur adjoint de physique à l'Université Brown et auteur correspondant du nouveau document. "Ces découvertes peuvent nous aider à limiter davantage le moment où les âges sombres cosmiques se sont terminés et les premières étoiles ont émergé."

La recherche a été dirigée par Wenyang Li, qui a effectué le travail en tant que doctorant. étudiant à Brown. Li et Pober ont collaboré avec un groupe international de chercheurs travaillant avec le MWA.

Malgré son importance dans l'histoire cosmique, on sait peu de choses sur la période où les premières étoiles se sont formées, qui est connu comme l'époque de la réionisation (EoR). Les premiers atomes qui se sont formés après le Big Bang étaient des ions hydrogène chargés positivement, des atomes dont les électrons ont été dépouillés par l'énergie de l'univers naissant. Alors que l'univers se refroidissait et s'étendait, atomes d'hydrogène réunis avec leurs électrons pour former de l'hydrogène neutre. Et c'est à peu près tout ce qu'il y avait dans l'univers jusqu'à il y a environ 12 milliards d'années, quand les atomes ont commencé à s'agglutiner pour former des étoiles et des galaxies. La lumière de ces objets a réionisé l'hydrogène neutre, la faisant disparaître en grande partie de l'espace interstellaire.

L'objectif de projets comme celui qui se déroule à MWA est de localiser le signal d'hydrogène neutre de l'âge des ténèbres et de mesurer comment il a changé au fur et à mesure que l'EoR se déroulait. Cela pourrait révéler des informations nouvelles et critiques sur les premières étoiles, les éléments constitutifs de l'univers que nous voyons aujourd'hui. Mais entrevoir ce signal vieux de 12 milliards d'années est une tâche difficile qui nécessite des instruments d'une sensibilité exquise.

Lorsqu'elle a commencé à fonctionner en 2013, le MWA était un tableau de 2, 048 antennes radio disposées à travers la campagne reculée de l'Australie occidentale. Les antennes sont regroupées en tuiles de 128 ", " dont les signaux sont combinés par un supercalculateur appelé le Corrélateur. En 2016, le nombre de tuiles a été doublé à 256, et leur configuration à travers le paysage a été modifiée pour améliorer leur sensibilité au signal d'hydrogène neutre. Ce nouvel article est la première analyse des données du réseau étendu.

L'hydrogène neutre émet un rayonnement à une longueur d'onde de 21 centimètres. Alors que l'univers s'est étendu au cours des 12 derniers milliards d'années, le signal de l'EoR est maintenant étiré à environ 2 mètres, et c'est ce que recherchent les astronomes du MWA. Le problème est qu'il existe une myriade d'autres sources qui émettent à la même longueur d'onde – des sources artificielles comme la télévision numérique ainsi que des sources naturelles de la Voie lactée et de millions d'autres galaxies.

"Toutes ces autres sources sont de plusieurs ordres de grandeur plus fortes que le signal que nous essayons de détecter, " a déclaré Pober. " Même un signal radio FM réfléchi par un avion qui passe au-dessus du télescope est suffisant pour contaminer les données. "

Pour rentrer au signal, les chercheurs utilisent une myriade de techniques de traitement pour éliminer ces contaminants. À la fois, ils expliquent les réponses en fréquence uniques du télescope lui-même.

"Si nous regardons différentes fréquences radio ou longueurs d'onde, le télescope se comporte un peu différemment, " a déclaré Pober. " Corriger la réponse du télescope est absolument essentiel pour ensuite séparer les contaminants astrophysiques et le signal d'intérêt. "

Ces techniques d'analyse de données combinées à la capacité accrue du télescope lui-même ont abouti à une nouvelle limite supérieure de la force du signal EoR. Il s'agit de la deuxième analyse consécutive de la meilleure limite à ce jour publiée par MWA et laisse espérer que l'expérience détectera un jour le signal EoR insaisissable.

"Cette analyse démontre que la mise à niveau de la phase deux a eu beaucoup des effets souhaités et que les nouvelles techniques d'analyse amélioreront les analyses futures, " Pober a déclaré. " Le fait que MWA a maintenant publié dos à dos les deux meilleures limites du signal donne de l'élan à l'idée que cette expérience et son approche sont très prometteuses. "