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) pour mesurer la teneur en hydrogène atomique des galaxies il y a 9 milliards d'années, dans le jeune univers. C'est la première époque de l'univers pour laquelle il existe une mesure de la teneur en hydrogène atomique des galaxies. Le nouveau résultat est une confirmation cruciale du résultat antérieur du groupe, où ils avaient mesuré la teneur en hydrogène atomique des galaxies il y a 8 milliards d'années, et pousse notre compréhension des galaxies encore plus tôt dans l'univers. La nouvelle recherche est publiée dans le numéro du 2 juin 2021 de Les lettres du journal astrophysique .

Les galaxies se composent principalement de gaz et d'étoiles, avec de nouvelles étoiles se formant à partir du gaz existant au cours de la vie d'une galaxie. Les étoiles se sont formées beaucoup plus fréquemment lorsque l'univers était jeune qu'elles ne le font aujourd'hui. Les astronomes savent depuis plus de deux décennies que l'activité de formation d'étoiles dans les galaxies était à son plus haut il y a environ 8 à 10 milliards d'années, et a diminué régulièrement par la suite. Jusque récemment, la cause de ce déclin était inconnue, principalement parce que nous n'avons eu aucune information sur la quantité d'hydrogène gazeux atomique, le principal combustible pour la formation des étoiles, dans les galaxies à ces époques reculées. Cela a changé l'année dernière lorsqu'une équipe d'astronomes du NCRA et du RRI, y compris certains des auteurs de la présente étude, utilisé le GMRT amélioré pour obtenir la première mesure de la teneur en hydrogène atomique des galaxies il y a environ 8 milliards d'années, lorsque l'activité de formation d'étoiles de l'Univers a commencé à décliner. Ils ont découvert que la cause probable du déclin de la formation d'étoiles dans les galaxies est que les galaxies manquaient de carburant.

Aditya Chowdhury, un doctorat étudiant à NCRA-TIFR, et l'auteur principal de la nouvelle étude et de celle de 2020, mentionné, "Nos nouveaux résultats concernent des galaxies à des époques encore plus anciennes, mais toujours vers la fin de l'époque d'activité maximale de formation d'étoiles. Nous constatons que les galaxies il y a 9 milliards d'années étaient riches en gaz atomique, avec près de trois fois plus de masse dans le gaz atomique que dans les étoiles. C'est très différent des galaxies d'aujourd'hui comme la Voie lactée, où la masse de gaz est près de dix fois plus petite que la masse des étoiles."

La mesure de la masse atomique d'hydrogène gazeux a été effectuée en utilisant le GMRT pour rechercher une raie spectrale dans l'hydrogène atomique, qui ne peut être détecté qu'avec des radiotélescopes. Malheureusement, ce signal de 21 cm est très faible, et donc presque impossible à détecter à partir de galaxies individuelles à de si grandes distances, à environ 30 milliards d'années-lumière de nous, même avec des télescopes puissants comme le GMRT. L'équipe a donc utilisé une technique appelée « empilage » pour améliorer la sensibilité. Cela leur a permis de mesurer la teneur moyenne en gaz de près de 3, 000 galaxies, en combinant leurs signaux de 21 cm.

« Les observations de notre étude ont été réalisées il y a environ 5 ans, avant la mise à niveau du GMRT en 2018. Nous avons utilisé les récepteurs et la chaîne électronique d'origine du GMRT avant sa mise à niveau, qui avait une bande passante étroite. Nous ne pouvions donc couvrir qu'un nombre limité de galaxies; c'est pourquoi notre étude actuelle porte sur 3000 galaxies, par rapport au 8, 000 galaxies de notre étude 2020 avec la bande passante la plus large du GMR amélioré, " a déclaré Nissim Kanekar de NCRA-TIFR, un co-auteur de l'étude.

Barnali Das, un autre doctorat étudiant du NCRA-TIFR, ajoutée, "Bien que nous ayons moins de galaxies, nous avons augmenté notre sensibilité en observant plus longtemps, avec près de 400 heures d'observations. Le grand volume de données signifiait que l'analyse prenait beaucoup de temps."

"La formation d'étoiles dans ces premières galaxies est si intense qu'elles consommeraient leur gaz atomique en seulement 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.", dit Chowdhury. "Il semble donc probable que la cause du déclin de la formation d'étoiles dans l'Univers est simplement que les galaxies n'ont pas été en mesure de reconstituer leurs réservoirs de gaz après une certaine époque, probablement parce qu'il n'y avait pas assez de gaz disponible dans leur environnement."

« La reproductibilité est fondamentale pour la science ! L'année dernière, nous avons rapporté la première mesure de la teneur en gaz atomique dans des galaxies aussi éloignées. Avec le résultat actuel, en utilisant un ensemble complètement différent de récepteurs et d'électronique, nous avons maintenant deux mesures indépendantes de la masse de gaz atomique dans ces premières galaxies. Cela aurait été difficile à croire, il y a encore quelques années, ", a déclaré Kanekar.

K. S. Dwarakanath de RRI, un co-auteur de l'étude, a mentionné « La détection du signal de 21 cm provenant de galaxies lointaines était le principal objectif initial du GMRT, et continue d'être un moteur scientifique clé pour la construction de télescopes encore plus puissants comme le Square Kilometer Array. Ces résultats sont extrêmement importants pour notre compréhension de l'évolution des galaxies."