Une image du signal empilé de 21 cm détecté avec le GMRT amélioré, provenant de l'hydrogène gazeux atomique dans des galaxies distantes de 22 milliards d'années-lumière. Crédit :Chowdhury et al.
Une équipe d'astronomes du Centre national de radioastrophysique (NCRA-TIFR) de Pune, et l'Institut de recherche Raman (RRI), à Bangalore, a utilisé le Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) amélioré pour mesurer la teneur en hydrogène atomique des galaxies telles qu'elles étaient il y a 8 milliards d'années, quand l'univers était jeune. C'est la première époque de l'univers pour laquelle il existe une mesure de la teneur en gaz atomique des galaxies. Cette recherche a été publiée dans le numéro du 14 octobre 2020 de la revue La nature .
Les galaxies de l'univers sont principalement constituées de gaz et d'étoiles, le gaz étant converti en étoiles pendant la vie d'une galaxie. Comprendre les galaxies nous oblige donc à déterminer comment les quantités de gaz et d'étoiles changent avec le temps. Les astronomes savent depuis longtemps que les galaxies formaient des étoiles à un rythme plus élevé lorsque l'univers était jeune qu'aujourd'hui. L'activité de formation d'étoiles dans les galaxies a culminé il y a environ 8 à 10 milliards d'années et n'a cessé de décliner jusqu'à aujourd'hui. La cause de ce déclin est inconnue, principalement parce que nous n'avons eu aucune information sur la quantité d'hydrogène gazeux atomique, le combustible principal pour la formation des étoiles, dans les galaxies en ces temps anciens.
"Nous avons, pour la première fois, mesuré la teneur en hydrogène atomique des galaxies en formation d'étoiles il y a environ 8 milliards d'années, en utilisant le GMRT amélioré. Compte tenu de la formation intense d'étoiles dans ces galaxies primitives, leur gaz atomique serait consommé par la formation d'étoiles en seulement un ou deux milliards d'années. Et, si les galaxies ne pouvaient pas acquérir plus de gaz, leur activité de formation d'étoiles diminuerait, et enfin cesser, " a déclaré Aditya Chowdhury, un doctorat étudiant au NCRA-TIFR et auteur principal de l'étude. "Le déclin observé de l'activité de formation d'étoiles peut donc s'expliquer par l'épuisement de l'hydrogène atomique."
Une antenne GMRT la nuit. Crédit :Rakesh Rao
La mesure de la masse d'hydrogène atomique des galaxies lointaines a été effectuée en utilisant le GMRT amélioré pour rechercher une raie spectrale dans l'hydrogène atomique. Contrairement aux étoiles qui émettent fortement de la lumière aux longueurs d'onde optiques, le signal d'hydrogène atomique se situe dans les longueurs d'onde radio, à une longueur d'onde de 21 cm, et ne peut être détecté qu'avec des radiotélescopes. Malheureusement, ce signal de 21 cm est très faible, et difficile à détecter à partir de galaxies individuelles éloignées, même avec de puissants télescopes comme le GMRT amélioré. Pour surmonter cette limite, l'équipe a utilisé une technique appelée "empilement" pour combiner les signaux de 21 cm de près de 8, 000 galaxies précédemment identifiées avec des télescopes optiques. Cette méthode mesure la teneur moyenne en gaz de ces galaxies.
K. S. Dwarakanath de RRI, un co-auteur de l'étude, mentionné « Nous avions utilisé le GMRT en 2016, avant sa mise à niveau, de réaliser une étude similaire. Cependant, la bande passante étroite avant la mise à niveau du GMRT signifiait que nous ne pouvions couvrir que 850 galaxies environ dans notre analyse, et n'étaient donc pas assez sensibles pour détecter le signal." "Le grand saut dans notre sensibilité est dû à la mise à niveau du GMRT en 2017, " dit Jayaram Chengalur, de NCRA-TIFR, un co-auteur de l'article. "Les nouveaux récepteurs à large bande et l'électronique nous ont permis d'utiliser 10 fois plus de galaxies dans l'analyse d'empilement, donnant une sensibilité suffisante pour détecter le faible signal moyen de 21 cm."
