Un nouvel instrument unique combiné à un puissant télescope et à un peu d'aide de la nature a donné aux chercheurs un aperçu de la pépinière galactique au cœur du jeune univers. Après le big bang il y a environ 13,8 milliards d'années, l'univers primitif était rempli d'énormes nuages de gaz neutre diffus connus sous le nom de systèmes Lyman-α en décomposition, ou DLA. Ces DLA ont servi de pépinières galactiques, car les gaz qu'elles contenaient se sont lentement condensés, alimentant la formation d'étoiles et de galaxies. On peut les observer encore aujourd'hui, mais ce n'est pas facile. "Les nuages DLA sont essentiels pour comprendre comment les galaxies se forment dans l'univers, mais ils sont généralement difficiles à observer car les nuages sont trop diffus et n'émettent pas de lumière eux-mêmes", ont déclaré les scientifiques, à savoir Rongmon Bordoloy, professeur agrégé de physique à North Carolina. Université d'État et recherche d'auteur.
Actuellement, les astrophysiciens utilisent des quasars – des trous noirs supermassifs qui émettent de la lumière – comme « rétroéclairages » pour détecter les nuages DLA. Et bien que cette méthode permette aux chercheurs de localiser avec précision l'emplacement des DLA, la lumière des quasars agit comme de minuscules brochettes à travers le nuage massif, compliquant les tentatives de mesure de leur taille et de leur masse globales.
Ale Bordoloy et John O'Meara, scientifique en chef à l'observatoire U.M. Keka à Kamuel, Hawaï, a trouvé un moyen de contourner ce problème en utilisant une galaxie à lentille gravitationnelle et une spectroscopie de champ intégrale pour observer deux DLA et les galaxies à l'intérieur qui se sont formées il y a environ 11 milliards d'années, peu après le Big Bang.
"Les galaxies à lentille gravitationnelle sont des galaxies qui semblent allongées et brillantes", explique Bordoloy. "C'est parce qu'il y a une structure gravitationnellement massive devant la galaxie qui déforme la lumière qui en provient lorsqu'elle se déplace vers nous. En conséquence, nous regardons une version agrandie de l'objet - c'est comme utiliser un télescope spatial qui zoome et nous donne une meilleure visualisation."
L'avantage de ceci est double : premièrement, l'objet d'arrière-plan est allongé par le ciel et lumineux, il est donc facile de capturer des lectures spectrales de différentes parties de l'objet. Deuxièmement, parce que la lentille agrandit l'objet, de très petites pièces peuvent être examinées. Par exemple, si un objet mesure une année-lumière de diamètre, nous pouvons étudier de petits morceaux avec une très grande précision.
Les lectures spectrales permettent aux astrophysiciens de "voir" des éléments de l'espace lointain qui sont invisibles à l'œil nu, tels que les DLA gazeux diffus et les galaxies potentielles qu'ils contiennent. Habituellement, la collecte de preuves est un processus long et laborieux. Mais les scientifiques ont résolu ce problème en effectuant une spectroscopie intégrale à l'aide du Keck Cosmic Web Imager.
La spectroscopie de champ intégrale a permis aux chercheurs d'obtenir le spectre à chaque pixel de la zone du ciel visée, rendant la spectroscopie d'un objet étendu dans le ciel très efficace. Cette innovation, combinée à la galaxie à lentille gravitationnelle allongée et brillante, a permis à l'équipe de cartographier le gaz diffus du DLA à travers le ciel avec une grande précision. Avec cette méthode, les chercheurs ont pu déterminer non seulement la taille des deux DLA, mais aussi qu'ils contiennent des galaxies hôtes.
"J'ai attendu cette combinaison pendant presque toute ma carrière : un télescope et un instrument suffisamment puissants, et la nature nous a donné un peu de chance pour étudier non pas un, mais deux DLA d'une nouvelle manière", ont déclaré les scientifiques. "C'est formidable de voir la science mise en pratique."
Soit dit en passant, DLA est énorme. Avec un diamètre de plus de 17,4 kiloparsecs, elles représentent plus des deux tiers de la taille de la galaxie moderne de la Voie lactée. À titre de comparaison, il y a 13 milliards d'années, le diamètre d'une galaxie typique était inférieur à 5 kiloparsecs. Un parsec est de 3,26 années-lumière et un kiloparsec est de 1000 parsecs, donc la lumière met environ 56 723 ans pour traverser chaque DLA.
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