Des astronomes décrivent la découverte d’un laser cosmique lointain : “des milliers de fois plus puissants que notre soleil”

Oubliez les pistolets laser portatifs utilisés dans Star Trek. Le télescope spatial Hubble de la NASA/ESA image au dessus de montre un mégamaser, IRAS 16399-0937, situé à plus de 370 millions d’années-lumière de la Terre. La galaxie entière agit essentiellement comme un laser cosmique qui émet des émissions de micro-ondes plutôt que de la lumière visible.

Découverte d’un nouveau mégamaser

Utilisation du radiotélescope MeerKAT, un radiotélescope composé de 64 antennes dans le Cap Nord de l’Afrique du Sud, une équipe internationale de chercheurs a découvert un nouveau mégamaser puissant – un laser à longueur d’onde radio qui émet des émissions de micro-ondes provenant du gaz dense des galaxies en collision. La fusion des galaxies est à 6,6 milliards d’années-lumière, ce qui en fait le mégamaser le plus éloigné trouvé à ce jour.

L’équipe était composée de chercheurs de l’Université du Cap occidental, de l’Université du Cap, de l’Université de Rhodes, de l’Observatoire sud-africain de radioastronomie et de l’Observatoire astronomique sud-africain, ainsi que de collègues de 12 autres pays.

Un signal extrêmement lumineux

Lorsque les galaxies fusionnent dans des collisions aux proportions cosmiques, le gaz qu’elles contiennent devient extrêmement dense. En particulier, cela peut stimuler les molécules d’hydroxyle, constituées d’un atome d’oxygène et d’un atome d’hydrogène, pour émettre un signal radio spécifique appelé maser (un maser est comme un laser mais émet des ondes radio micro-ondes au lieu de la lumière visible). Lorsque ce signal est extrêmement brillant, on l’appelle un mégamaser.

Pourquoi les premières galaxies de l’univers étaient-elles plus brillantes que celles que nous voyons aujourd’hui ?

Un phare hydroxyle

“Lorsque deux galaxies comme la Voie lactée et la galaxie d’Andromède entrent en collision, des faisceaux de lumière jaillissent de la collision et peuvent être vus à des distances cosmologiques. Les mégamasers hydroxyle (OH) agissent comme des lumières vives qui disent : voici une collision de galaxies qui fabrique de nouvelles étoiles et alimente des trous noirs massifs », explique Jérémy chériprofesseur d’astrophysique et directeur de CASA à l’Université du Colorado, Boulder, expert en mégamaser et co-auteur de l’étude.

La majorité des mégamasers sont des mégamasers hydroxyle (OH) qui émettent de la lumière à une longueur d’onde de 18 cm, lumière qui appartient à la partie radio du spectre électromagnétique, et c’est le type de lumière que le radiotélescope MeerKAT du Karoo est conçu pour capturer . Il existe trois autres mégamasers connus pour les molécules : l’eau (H2O), le formaldéhyde (H2CO) et le méthine (CH).

Vue d’artiste d’un maser hydroxyle. À l’intérieur d’une fusion de galaxies se trouvent des molécules d’hydroxyle, composées d’un atome d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. Lorsqu’une molécule absorbe un photon à une longueur d’onde de 18 cm, elle émet deux photons de même longueur d’onde. Lorsque le gaz moléculaire est très dense, typiquement lorsque deux galaxies fusionnent, cette émission devient très brillante et peut être détectée par des radiotélescopes tels que le MeerKAT (© IDIA / LADUMA utilisant les données de la NASA / StSci / SKAO / MolView).

LADUMA : Regard sur l’univers lointain avec le réseau MeerKAT

L’une des grandes expériences scientifiques MeerKAT est de rechercher de l’hydrogène gazeux neutre dans les galaxies d’une zone du ciel, et de le rechercher très profondément – c’est-à-dire très loin de nous, à la fois dans l’espace et dans le temps. En mesurant l’hydrogène gazeux neutre dans les galaxies d’un passé lointain à aujourd’hui, LADUMA contribuera à notre compréhension de l’évolution de l’univers. Ce n’est pas un exercice mineur, et l’équipe de recherche comprend donc des scientifiques d’Afrique du Sud, d’Australie, du Chili, de France, d’Allemagne, d’Inde, d’Italie, du Japon, des Pays-Bas, de Corée du Sud, d’Espagne, du Royaume-Uni et des États-Unis. “LADUMA sonde l’hydrogène dans une seule” vuvuzela cosmique “qui s’étend jusqu’à l’époque où l’univers n’avait qu’un tiers de son âge actuel”, explique la professeure agrégée Sarah Blyth de l’Université du Cap.

“Une partie importante de la compréhension de la formation et de l’évolution des galaxies au cours du temps cosmique consiste à comprendre les propriétés de leur gaz interstellaire, à partir duquel de nouvelles étoiles peuvent se former”, a déclaré l’astrophysicien de l’Université Rutgers. André Baker dit La Galaxie Quotidienne. “L’équipe LADUMA utilise des observations MeerKAT très sensibles d’une zone du ciel pour étudier les propriétés de l’hydrogène gazeux dans les galaxies jusqu’à une distance de neuf milliards d’années-lumière, revenant ainsi dans le temps à l’époque où l’univers n’était qu’un tiers de son âge actuel. En prime, nous avons également pu détecter des mégamasers hydroxl (OH) produits dans des fusions de galaxies à des distances encore plus grandes. »

Pour rechercher de l’hydrogène, l’équipe recherche une lumière d’une longueur d’onde de 21 cm qui a été étirée à des longueurs d’onde plus longues par l’expansion de l’univers. Cependant, la lumière d’autres atomes et molécules est également présente, et lors de leur toute première observation avec MeerKAT, l’équipe a détecté une émission lumineuse de molécules d’hydroxyle qui avaient été encore plus étirées par rapport à sa longueur d’onde d’origine de 18 cm.

“Il est impressionnant qu’en une seule nuit d’observations avec MeerKAT, nous ayons déjà trouvé un mégamaser record de décalage vers le rouge. L’enquête LADUMA complète de plus de 3000 heures sera la plus sensible de son genre », explique le Dr. Marcin Glowacki, auparavant chercheur à l’Institut interuniversitaire d’astronomie intensive en données (IDIA) et à l’Université du Cap occidental, et maintenant basé au nœud de l’Université Curtin du Centre international de recherche en radioastronomie (ICRAR), qui a dirigé le enquête.

Lorsque l’équipe a vu ce signal dans les données provenant du télescope et a confirmé qu’il provenait de l’hydroxyle, l’équipe s’est rendu compte qu’elle avait un mégamaser entre les mains.

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Nkalakatha –La galaxie hôte

Une fois que l’équipe a su qu’il s’agissait d’un mégamaser, elle est allée à la recherche de sa galaxie hôte. D’où venait le mégamaser ? Le morceau de ciel exploré par l’équipe LADUMA a été observé en rayons X, en lumière optique et en infrarouge, ce qui a permis à l’équipe d’identifier facilement la galaxie hôte.

La galaxie hôte de “Nkalakatha” – mot zoulou qui signifie “grand patron” – est connue pour avoir une longue queue d’un côté, visible dans les ondes radio. Il se trouve à environ 58 milliards de milliards (58 suivis de 21 zéros) de kilomètres, et la lumière mégamaser a été émise il y a environ 5 milliards d’années, alors que l’univers n’avait qu’environ les deux tiers de son âge actuel.

La nouvelle génération de radiotélescopes sonde beaucoup plus profondément dans l’univers

C’est la première fois qu’un mégamaser est détecté à cette distance de son émission à 18 cm de longueur d’onde. Les auteurs de l’étude soulignent qu’il n’est pas surprenant qu’ils aient trouvé un mégamaser aussi brillant, étant donné la puissance du MeerKAT, mais le télescope est très nouveau, donc cette découverte est, espérons-le, l’une des nombreuses autres à venir. « MeerKAT doublera probablement le nombre connu de ces phénomènes rares. On pensait que les galaxies fusionnaient plus souvent dans le passé, et les mégamasers OH nouvellement découverts nous permettront de tester cette hypothèse », commente Darling.

Jusqu’à très récemment, les radiotélescopes ne pouvaient mesurer que l’émission d’hydrogène gazeux neutre dans les galaxies de l’Univers proche. Mais la nouvelle génération de radiotélescopes comme MeerKAT est beaucoup plus sensible et nous permettra de sonder beaucoup plus profondément dans l’univers que jamais auparavant », a écrit l’astronome Sarah Blyth de l’Université du Cap dans un e-mail à La Galaxie Quotidienne.

“L’enquête LADUMA sur MeerKAT sonde l’émission d’hydrogène gazeux atomique neutre dans les galaxies à l’époque où l’univers n’avait qu’un tiers de son âge actuel et sera l’enquête la plus approfondie du genre jusqu’à ce que le SKA soit mis en ligne”, a poursuivi Blyth dans son e-mail. . “L’hydrogène gazeux est un composant majeur des galaxies – c’est à partir de cela que les étoiles se forment ! Grâce à notre enquête, nous pourrons en apprendre davantage sur l’évolution de la teneur en gaz des galaxies au cours des neuf derniers milliards d’années d’histoire cosmique. »

“Bien que l’objectif principal de LADUMA soit de rechercher l’émission d’hydrogène neutre, il détectera également l’émission des mégamasers hydroxyle (OH).” Blyth a expliqué. L’une des choses que nous devons faire pour l’enquête est de déterminer si un signal que nous voyons provient de l’hydrogène atomique ou de l’OH, mais nous nous attendons à trouver beaucoup plus de signaux d’hydrogène que les mégamasers, donc la plupart de nos détections proviendront de l’hydrogène atomique gazeux dans les galaxies . »

La radioastronomie entre dans une période vraiment passionnante avec le prochain Square Kilometre Array et ses télescopes éclaireurs, dont MeerKAT. Des découvertes imprévues commencent à émerger des quantités sans précédent de données que ces instruments collectent. Et avec MeerKAT et IDIA, l’Afrique du Sud est à la pointe de l’astronomie.

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Le dernier mot – Jeremy Darling

“J’ai été ravi quand j’ai appris la découverte du mégamaser dans les premières données LADUMA parce que je pensais à trouver des mégamasers OH distants et à les utiliser pour étudier les collisions de galaxies depuis plus de vingt ans”, a écrit Darling dans un e-mail à La Galaxie Quotidienne. “La prédiction était qu’ils devraient être” là-bas “dans l’univers primitif en grand nombre, mais ils sont insaisissables depuis très longtemps.”

“Cette nouvelle découverte sera la première parmi tant d’autres – c’est juste la plus évidente pour le moment. Comme trébucher sur un gros os fossilisé qui sort du sol, cela signifie qu’un creusement minutieux en découvrira plus. »

“Il est presque certain que si les gigamasers OH des milliards de fois plus puissant que le maser moyen de la Voie lactée existent », a conclu Darling,« alors MeerKAT les détectera. La grande question est de savoir si ces masers ont une puissance maximale. On ne sait pas à quel point ils peuvent être lumineux. Mais lorsque deux galaxies massives riches en gaz entrent en collision, il y a beaucoup d’énergie disponible pour fabriquer des masers. »

Le NASA / ESA Image du télescope spatial Hubble de mégamaser IRAS 16399-0937 en haut de la page comprend les observations capturées par deux des instruments de Hubble : la caméra avancée pour les relevés (ACS) et la caméra infrarouge proche et le spectromètre multi-objets (NICMOS) ont donné aux astronomes l’occasion unique d’observer la structure de IRAS 16399-0937 en détail. Ils ont découvert qu’IRAS 16399-0937 héberge un double noyau, tous deux profondément enfouis dans le même tourbillon de gaz et de poussière cosmiques et qui interagissent, donnant à la galaxie sa structure particulière. Les noyaux sont très différents. IRAS 16399S semble être une région d’éclatement d’étoiles, où de nouvelles étoiles se forment à une vitesse incroyable. IRAS 16399N, cependant, est connu sous le nom de noyau LINER (Low Ionization Nuclear Emission Region), qui est une région dont l’émission provient principalement d’atomes faiblement ionisés ou neutres de gaz particuliers. Le noyau nord abrite également un trou noir d’environ 100 millions de fois la masse du Soleil.

Maxwell Moeastrophysicien, NASA Einstein Fellow, Université de l’Arizona via Sarah Blythe, André Boulanger, Jérémy chéri et SARAO

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