Une équipe d'astronomes a mis au point une méthode qui leur permettra de "voir" à travers le brouillard de l'univers primitif et de détecter la lumière des premières étoiles et galaxies.

Les chercheurs, dirigés par l'Université de Cambridge, ont développé une méthodologie qui leur permettra d'observer et d'étudier les premières étoiles à travers les nuages ​​d'hydrogène qui ont rempli l'univers environ 378 000 ans après le Big Bang.

Observer la naissance des premières étoiles et galaxies est un objectif des astronomes depuis des décennies, car cela aidera à expliquer comment l'univers a évolué du vide après le Big Bang au domaine complexe des objets célestes que nous observons aujourd'hui, 13,8 milliards d'années plus tard.

Le Square Kilometre Array (SKA) - un télescope de nouvelle génération qui devrait être achevé d'ici la fin de la décennie - sera probablement capable de faire des images de la première lumière de l'univers, mais pour les télescopes actuels, le défi consiste à détecter la lumière cosmologique signal des étoiles à travers les épais nuages ​​d'hydrogène.

Le signal que les astronomes visent à détecter devrait être environ cent mille fois plus faible que les autres signaux radio provenant également du ciel, par exemple, les signaux radio provenant de notre propre galaxie.

L'utilisation d'un radiotélescope lui-même introduit des distorsions dans le signal reçu, ce qui peut complètement obscurcir le signal cosmologique d'intérêt. Ceci est considéré comme un défi d'observation extrême dans la cosmologie radio moderne. Ces distorsions liées aux instruments sont généralement considérées comme le principal goulot d'étranglement dans ce type d'observation.

Maintenant, l'équipe dirigée par Cambridge a développé une méthodologie pour voir à travers les nuages ​​primordiaux et d'autres signaux de bruit du ciel, en évitant l'effet néfaste des distorsions introduites par le radiotélescope. Leur méthodologie, qui fait partie de l'expérience REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen), permettra aux astronomes d'observer les premières étoiles à travers leur interaction avec les nuages ​​d'hydrogène, de la même manière que nous déduirions un paysage en regardant les ombres dans le brouillard.

Leur méthode améliorera la qualité et la fiabilité des observations des radiotélescopes en ce moment clé inexploré du développement de l'univers. Les premières observations de REACH sont attendues plus tard cette année.

Les résultats sont publiés aujourd'hui dans la revue Nature Astronomy .

"Au moment où les premières étoiles se sont formées, l'univers était essentiellement vide et composé principalement d'hydrogène et d'hélium", a déclaré le Dr Eloy de Lera Acedo du laboratoire Cavendish de Cambridge, auteur principal de l'article.

Il a ajouté :« À cause de la gravité, les éléments se sont finalement réunis et les conditions étaient réunies pour la fusion nucléaire, ce qui a formé les premières étoiles. Mais elles étaient entourées de nuages ​​d'hydrogène dit neutre, qui absorbent très bien la lumière, donc il est difficile de détecter ou d'observer directement la lumière derrière les nuages."

En 2018, un autre groupe de recherche (qui dirige l'"Expérience pour détecter l'époque globale de la signature de réioniozation" - ou EDGES) a publié un résultat qui faisait allusion à une détection possible de cette première lumière, mais les astronomes n'ont pas été en mesure de répéter le résultat - les conduisant à croire que le résultat original peut avoir été dû à des interférences du télescope utilisé.

"Le résultat original nécessiterait une nouvelle physique pour l'expliquer, en raison de la température de l'hydrogène gazeux, qui devrait être beaucoup plus froide que ne le permettrait notre compréhension actuelle de l'univers. Alternativement, une température plus élevée inexpliquée du rayonnement de fond - généralement supposée être le fond cosmique bien connu des micro-ondes - pourrait en être la cause », a déclaré de Lera Acedo.

"Si nous pouvons confirmer que le signal trouvé dans cette expérience précédente provenait vraiment des premières étoiles, les implications seraient énormes."

Afin d'étudier cette période du développement de l'univers, souvent appelée l'aube cosmique, les astronomes étudient la ligne de 21 centimètres, une signature de rayonnement électromagnétique de l'hydrogène dans l'univers primitif. Ils recherchent un signal radio qui mesure le contraste entre le rayonnement de l'hydrogène et le rayonnement derrière le brouillard d'hydrogène.

La méthodologie développée par de Lera Acedo et ses collègues utilise les statistiques bayésiennes pour détecter un signal cosmologique en présence d'interférences du télescope et de bruit général du ciel, afin que les signaux puissent être séparés.

Pour ce faire, des techniques et des technologies de pointe dans différents domaines ont été nécessaires.

Les chercheurs ont utilisé des simulations pour imiter une observation réelle à l'aide de plusieurs antennes, ce qui améliore la fiabilité des données. Les observations précédentes reposaient sur une seule antenne.

"Notre méthode analyse conjointement les données de plusieurs antennes et sur une bande de fréquences plus large que les instruments actuels équivalents. Cette approche nous fournira les informations nécessaires pour notre analyse bayésienne des données", a déclaré de Lera Acedo.

"Essentiellement, nous avons oublié les stratégies de conception traditionnelles et nous nous sommes plutôt concentrés sur la conception d'un télescope adapté à la façon dont nous prévoyons d'analyser les données, quelque chose comme une conception inverse. Cela pourrait nous aider à mesurer les choses depuis l'aube cosmique jusqu'à l'époque de la réionisation. , lorsque l'hydrogène de l'univers a été réionisé."

La construction du télescope est actuellement en cours de finalisation dans la réserve radio de Karoo en Afrique du Sud, un emplacement choisi pour ses excellentes conditions d'observation radio du ciel. Il est loin des interférences de fréquences radio d'origine humaine, par exemple les signaux de télévision et de radio FM.

L'équipe REACH de plus de 30 chercheurs est multidisciplinaire et répartie dans le monde entier, avec des experts dans des domaines tels que la cosmologie théorique et observationnelle, la conception d'antennes, l'instrumentation radiofréquence, la modélisation numérique, le traitement numérique, les mégadonnées et les statistiques bayésiennes. REACH est codirigé par l'Université de Stellenbosch en Afrique du Sud.

Le professeur de Villiers, co-responsable du projet à l'Université de Stellenbosch en Afrique du Sud, a déclaré :"Bien que la technologie d'antenne utilisée pour cet instrument soit plutôt simple, l'environnement de déploiement difficile et distant, et les tolérances strictes requises dans la fabrication, rendent c'est un projet très stimulant sur lequel travailler."

"Nous sommes extrêmement enthousiastes à l'idée de voir à quel point le système fonctionnera et sommes pleinement convaincus que nous ferons cette détection insaisissable."

Le Big Bang et les premiers temps de l'univers sont des époques bien comprises, grâce aux études du rayonnement du fond diffus cosmologique (CMB). L'évolution tardive et généralisée des étoiles et autres objets célestes est encore mieux comprise. Mais le temps de formation de la première lumière dans le Cosmos est une pièce manquante fondamentale dans le puzzle de l'histoire de l'univers. + Explorer plus loin

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