À quoi ressemblaient les galaxies dans l’Univers primordial?

Dans le désert du Karoo, en Afrique du Sud, les 350 antennes d’un radiotélescope n’ont jamais été aussi près de détecter des traces de l’aube cosmique, période qui a suivi le Big Bang et qui a vu naître les étoiles et les galaxies.

Une équipe de scientifiques d’Amérique du Nord, d’Europe et d’Afrique du Sud a réussi à doubler la sensibilité du radiotélescope HERA (Hydrogen Epoch of Reionization Array) et espère maintenant percer les secrets de l’Univers primordial.

« Depuis quelques décennies, des équipes du monde entier tentent de capter les premières ondes radio en provenance de l’aube cosmique. Bien que ces ondes soient toujours insaisissables, les résultats obtenus par HERA témoignent de la recherche la plus précise à ce jour », explique Adrian Liu, professeur adjoint au Département de physique et à l’Institut spatial Trottier de l’Université McGill.

Cet ensemble d’antennes formait déjà le radiotélescope dédié à l’exploration de l’aube cosmique le plus sensible du monde. L’équipe d’HERA en a amélioré la sensibilité par un facteur de 2,1 pour les ondes radio émises environ 650 millions d’années après le Big Bang et par un facteur de 2,6 pour les ondes émises environ 450 millions d’années après le Big Bang. Leurs travaux sont décrits dans un article publié dans The Astrophysical Journal.

Les scientifiques n’ont pas encore détecté d’ondes radio provenant des confins de l’âge des ténèbres cosmiques, mais leurs résultats nous renseignent sur la composition des étoiles et des galaxies dans l’Univers primordial. Jusqu’à présent, les données recueillies donnent à penser que les premières galaxies renfermaient très peu d’éléments, outre l’hydrogène et l’hélium, contrairement aux galaxies actuelles. De nos jours, les étoiles sont formées d’une foule d’éléments plus lourds que l’hélium, notamment le lithium et l’uranium.

Certaines théories ne tiennent plus la route

L’équipe espère que lorsque les antennes paraboliques seront entièrement fonctionnelles, elle sera en mesure de produire une carte 3D des bulles d’hydrogène ionisé et d’hydrogène neutre – marqueurs des premières galaxies – pour retracer leur évolution de 200 millions d’années à un milliard d’années après le Big Bang. Cette carte pourrait dresser un portrait des premières étoiles et galaxies, à comparer avec les étoiles et galaxies actuelles, et nous donner une idée de l’adolescence de l’Univers.

D’après les chercheurs, le fait que l’équipe d’HERA n’ait pas encore détecté de tels signaux permet d’exclure certaines théories sur l’évolution des étoiles dans l’Univers primordial. « Nos données semblent indiquer que la luminosité des rayons X des premières galaxies était 100 fois supérieure à celle des galaxies actuelles. Cette hypothèse était traditionnellement admise, mais nous avons maintenant de vraies données qui la renforcent », précise le professeur Liu.

Dans l’attente d’un signal

L’équipe d’HERA poursuit ses efforts d’amélioration de l’étalonnage et des capacités d’analyse des données du télescope dans l’espoir de trouver ces bulles dans l’Univers primordial. Éliminer les ondes radio locales afin de percevoir les signaux provenant de l’Univers primordial n’est toutefois pas chose facile. « Prenons l’exemple d’un gruyère : les trous représentent les galaxies, et nous sommes à la recherche du fromage », explique David DeBoer, astronome chercheur au Laboratoire de radioastronomie de l’Université de Californie à Berkeley.

« HERA s’améliore et ses limites sont sans cesse repoussées », indique Aaron Parsons, chercheur principal pour HERA et professeur agrégé d’astronomie à l’Université de Californie à Berkeley. « C’est génial que nous puissions encore progresser et compter sur de nouvelles techniques qui rendent notre télescope toujours plus efficace. »

L’équipe d’HERA, dirigée par l’Université de Californie à Berkeley, est composée de scientifiques provenant d’Amérique du Nord, d’Europe et d’Afrique du Sud. Au Canada, elle bénéficie du soutien du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, de l’Institut canadien de recherches avancées, du Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies et de l’Institut spatial Trottier de l’Université McGill. La construction du télescope est financée par la Fondation nationale des sciences, la Fondation Alfred P. Sloan et la Fondation Gordon et Betty Moore; elle bénéficie également du soutien essentiel du gouvernement de l’Afrique du Sud et du Radio Astronomy Observatory d’Afrique du Sud (SARAO).

L'étude

“Improved Constraints on the 21 cm EoR Power Spectrum and the X-Ray Heating of the IGM with HERA Phase I Observations” par la Collaboration HERA a été publié dans The Astrophysical Journal.