A des milliards d'années-lumière, de gigantesques nuages ​​d'hydrogène gazeux produisent un type particulier de rayonnement, un type de lumière ultraviolette connue sous le nom d'émissions Lyman-alpha. Les énormes nuages ​​émettant la lumière sont des gouttes Lyman-alpha (LAB). Les LAB sont plusieurs fois plus grandes que notre galaxie de la Voie lactée, pourtant n'ont été découverts qu'il y a 20 ans. Une source d'énergie extrêmement puissante est nécessaire pour produire ce rayonnement - pensez à la production d'énergie équivalente à des milliards de notre soleil - mais les scientifiques débattent de ce que pourrait être cette source d'énergie.

Une nouvelle étude publiée le 9 mars dans Astronomie de la nature fournit la preuve que la source d'énergie est au centre des galaxies en formation d'étoiles, autour duquel existent les LAB.

L'étude se concentre sur Lyman-alpha blob 6 (LAB-6) dont la lumière a été émise il y a 10,7 milliards d'années. L'équipe collaborative a découvert une caractéristique unique de LAB-6 :son hydrogène gazeux semblait tomber sur lui-même. LAB-6 est le premier LAB avec des preuves solides de cette soi-disant signature de gaz en chute. Le gaz tombant était faible en abondance d'éléments métalliques, suggérant que l'hydrogène gazeux entrant dans le LAB provenait du milieu intergalactique, plutôt que de la galaxie stellaire elle-même.

La quantité de gaz entrant est trop faible pour alimenter l'émission Lyman-alpha observée. Les résultats fournissent la preuve que la galaxie centrale de formation d'étoiles est la principale source d'énergie responsable de l'émission Lyman-alpha. Ils posent également de nouvelles questions sur la structure des LAB.

"Cela nous donne un mystère. Nous nous attendons à ce qu'il y ait des chutes de gaz autour des galaxies en formation d'étoiles - elles ont besoin de gaz pour les matériaux, " a déclaré Zheng Zheng, professeur agrégé de physique et d'astronomie à l'Université de l'Utah et co-auteur de l'étude. Zheng s'est joint à l'effort d'analyse des données et a dirigé l'interprétation théorique avec l'étudiant diplômé de U, Shiyu Nie. "Mais cela semble être la seule goutte Lyman-alpha avec une chute de gaz. Pourquoi est-ce si rare ?"

Les auteurs ont utilisé le Very Large Telescope (VLT) de l'Observatoire européen austral (ESO) et l'Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) pour obtenir les données. Auteur principal Yiping Ao de Purple Mountain Observatory, L'Académie chinoise des sciences a observé pour la première fois le système LAB-6 il y a plus de dix ans. Il savait déjà qu'il y avait quelque chose de spécial dans le système, sur la base de la taille extrême de sa goutte d'hydrogène gazeux. Il sauta sur l'occasion pour regarder de plus près.

"Heureusement, nous avons pu obtenir les données nécessaires à la capture de la composition moléculaire d'ALMA, fixant la vitesse de la galaxie, " a-t-il dit. " Le télescope optique VLT de l'ESO nous a donné l'important profil de lumière spectrale de l'émission Lyman-alpha. "

La lumière de l'hydrogène révèle son secret

L'univers est rempli d'hydrogène. L'électron d'hydrogène tourne autour du noyau de l'atome à différents niveaux d'énergie. Quand un atome d'hydrogène neutre est explosé d'énergie, l'électron peut être propulsé sur une orbite plus grande avec un niveau d'énergie plus élevé. Ensuite, l'électron peut sauter d'un niveau d'orbite à un autre, qui produit un photon. Lorsque l'électron se déplace vers l'orbite la plus interne de l'orbite directement adjacente, il émet un photon de longueur d'onde particulière dans le spectre ultraviolet, appelée émission Lyman-alpha. Une source d'énergie puissante est nécessaire pour dynamiser suffisamment l'hydrogène pour produire l'émission Lyman-alpha.

Les auteurs ont découvert la caractéristique de chute de gaz en analysant la cinématique des émissions Lyman-alpha. Après l'émission du photon Lyman-alpha, il rencontre un environnement rempli d'atomes d'hydrogène. Il s'écrase plusieurs fois sur ces atomes, comme une balle se déplaçant dans un flipper, avant d'échapper à l'environnement. Cette sortie fait que l'émission s'étend vers l'extérieur sur de grandes distances.

Tout ce rebondissement change non seulement la direction de l'onde lumineuse, mais aussi sa fréquence, car le mouvement du gaz provoque un effet Doppler. Lorsque le gaz s'écoule, l'émission Lyman-alpha se déplace dans le plus long, longueur d'onde plus rouge. L'inverse se produit lorsque le gaz afflue :la longueur d'onde de l'émission Lyman-alpha semble se raccourcir, en le déplaçant vers un spectre plus bleu.

Les auteurs de cet article ont utilisé l'observation ALMA pour localiser la longueur d'onde attendue de l'émission Lyman-alpha à partir de la prospective de la Terre, s'il n'y avait pas d'effet de rebond pour les photons Lyman-alpha. Avec l'observation du VLT, ils ont découvert que l'émission Lyman-alpha de ce blob se déplaçait vers une longueur d'onde plus longue, impliquant un afflux de gaz. Ils ont utilisé des modèles pour analyser les données du spectre et étudier la cinématique de l'hydrogène gazeux.

La chute de gaz rétrécit l'origine du rayonnement Lyman-alpha

Les LAB sont associées à de gigantesques galaxies qui forment des étoiles à un rythme de centaines à des milliers de masse solaire par an. Des halos géants d'émissions Lyman-alpha entourent ces galaxies, formant les gouttes de gaz Lyman-alpha sur des centaines de milliers d'années-lumière avec une puissance équivalente à environ 10 milliards de soleils. Le mouvement dans les gouttes de gaz peut vous renseigner sur l'état de la galaxie.

Les chutes de gaz peuvent provenir de plusieurs manières différentes. Ce pourrait être la deuxième étape d'une fontaine galactique - si des étoiles massives meurent, ils explosent et poussent le gaz vers l'extérieur, qui tombe plus tard vers l'intérieur. Une autre option est un flux froid - il y a des filaments d'hydrogène flottant entre les objets célestes qui peuvent être tirés au centre du puits de potentiel, créant la fonction de gaz entrant.

Le modèle des auteurs suggère que le gaz entrant dans ce LAB provient de ce dernier scénario. Ils ont analysé la forme du profil de lumière Lyman-alpha, ce qui indique très peu de poussière métallique. En astronomie, les métaux sont quelque chose de plus lourd que l'hélium. Les étoiles produisent tous les éléments lourds de l'univers - lorsqu'elles explosent, ils produisent des éléments métalliques et les diffusent dans l'espace intergalactique.

« Si le gaz était venu de cette galaxie, vous devriez voir plus de métaux. Mais celui-ci, il n'y avait pas beaucoup de métaux, " a déclaré Zheng. " L'indication est que le gaz n'est pas contaminé par des éléments de cette formation d'étoiles. "

En outre, leur modèle indique que le gaz environnant ne produit que la puissance énergétique équivalente de deux masses solaires par an, beaucoup trop faible pour la quantité de l'émission Lyman-alpha observée.

Les résultats fournissent des preuves solides que la galaxie en formation d'étoiles est le principal contributeur de l'émission Lyman-alpha, tandis que le gaz entrant agit pour façonner son profil spectral. Cependant, cela ne répond pas complètement à la question.

"Il y a peut-être encore d'autres possibilités, " dit Ao. " Si la galaxie a un trou noir super massif au centre, il peut émettre des photons énergétiques qui pourraient voyager assez loin pour produire l'émission."

Dans les études futures, les auteurs veulent démêler la dynamique compliquée des gaz pour comprendre pourquoi les chutes de gaz sont rares pour les LAB. Le gaz entrant pourrait dépendre de l'orientation du système, par exemple. Ils veulent également construire des modèles plus réalistes pour comprendre les mouvements des photons d'émission Lyman-alpha lorsqu'ils s'écrasent sur les atomes.