Une équipe de scientifiques travaillant avec le radiotélescope Murchison Widefield Array (WMA) tente de trouver le signal des premières étoiles de l'Univers. Ces premières étoiles se sont formées après l'âge des ténèbres de l'univers. Pour trouver leur première lumière, les chercheurs recherchent le signal de l'hydrogène neutre, le gaz qui a dominé l'Univers après l'âge des ténèbres.
Il a fallu un certain temps pour que les premières étoiles se forment. Après le Big Bang, l'univers était extrêmement chaud; trop chaud pour que les atomes se forment. Sans atomes, il ne pourrait y avoir d'étoiles. Ce n'est que vers 377 000 ans après le Big Bang que l'Univers s'est suffisamment étendu et refroidi pour que des atomes se forment, principalement de l'hydrogène neutre avec un peu d'hélium. (Et des traces de lithium.) Après cela, les premières étoiles ont commencé à se former, à l'époque de la réionisation.
Pour trouver le signal insaisissable de cet hydrogène neutre, le MWA a été reconfiguré. Le MWA est situé dans une région reculée de l'Australie-Occidentale, et il disposait de 2048 antennes radio disposées en 128 «tuiles» lors de sa mise en service en 2013. Pour rechercher le signal d'hydrogène neutre insaisissable, le nombre de tuiles a été doublé à 256, et l'ensemble du réseau était réarrangé. Toutes les données de ces récepteurs sont introduites dans un supercalculateur appelé le corrélateur.
Un nouvel article qui sera publié dans l'Astrophysical Journal présente les résultats de la première analyse des données du réseau nouvellement configuré. Le document est intitulé «Résultats du spectre de puissance EoR de la première saison MWA Phase II à Redshift 7.» Le chercheur principal est Wenyang Li, étudiant au doctorat à l'Université Brown.
Cette recherche visait à comprendre la force du signal de l'hydrogène neutre. L'analyse a fixé la limite la plus basse à ce jour pour ce signal, un résultat clé dans la recherche du signal faible lui-même.
"Nous pouvons dire avec confiance que si le signal d'hydrogène neutre était plus fort que la limite que nous avons fixée dans le document, alors le télescope l'aurait détecté", a déclaré Jonathan Pober, professeur adjoint de physique à l'Université Brown et auteur correspondant du nouveau papier. "Ces découvertes peuvent nous aider à limiter davantage le moment où les âges sombres cosmiques se sont terminés et où les premières étoiles ont émergé."
Malgré ce qui ressemble à une chronologie détaillée des événements de l'Univers primitif, il y a des lacunes importantes dans notre compréhension. Nous savons qu'à la suite de l'âge des ténèbres, l'époque de la réionisation a commencé. C’est à ce moment-là que la formation d’atomes a conduit à l’apparition des premières structures de l’univers, comme les étoiles, les galaxies naines et les quasars. Au fur et à mesure de la formation de ces objets, leur lumière s'est propagée à travers l'Univers, réionisant l'hydrogène neutre. Après cela, l'hydrogène neutre a disparu de l'espace interstellaire.
Les scientifiques veulent savoir comment l'hydrogène neutre a changé lorsque l'âge des ténèbres a cédé la place à l'époque de la réionisation et que l'époque de la réionisation s'est déroulée. Les premières étoiles à se former dans l'Univers étaient des éléments constitutifs de la structure que nous voyons aujourd'hui, et pour les comprendre, les scientifiques doivent trouver le signal de cet hydrogène neutre précoce.
Mais ce n'est pas facile. Le signal est faible et il faut des détecteurs extrêmement sensibles pour le trouver. Bien que l'hydrogène neutre ait initialement émis son rayonnement à une longueur d'onde de 21 cm, le signal a été étiré en raison de l'expansion de l'Univers. Il fait maintenant environ 2 mètres. Ce signal de 2 mètres est maintenant facilement perdu parmi une foule d'autres signaux comme lui, à la fois d'origine naturelle et humaine. C’est pourquoi le MWA se trouve dans une région reculée de l’Australie, pour l’isoler du plus de bruit radio possible.
"Toutes ces autres sources sont de plusieurs ordres de grandeur plus fortes que le signal que nous essayons de détecter", a déclaré Pober. "Même un signal radio FM réfléchi par un avion qui passe au-dessus du télescope suffit à contaminer les données."
C'est là qu'intervient la puissance de traitement du supercalculateur Correlator. Il a le pouvoir de rejeter les signaux contaminants, et également de tenir compte de la nature du MWA lui-même.
"Si nous regardons différentes fréquences radio ou longueurs d'onde, le télescope se comporte un peu différemment", a déclaré Pober. «La correction de la réponse du télescope est absolument essentielle pour ensuite séparer les contaminants astrophysiques et le signal d'intérêt.»
La reconfiguration du réseau, les techniques d'analyse des données, la puissance du supercalculateur et le travail acharné des chercheurs ont produit des résultats. Le papier présente une nouvelle limite supérieure pour le signal de l'hydrogène neutre. C'est la deuxième fois que les scientifiques travaillant avec le MWA publient une nouvelle limite plus précise. Avec des progrès continus, les scientifiques espèrent trouver le signal insaisissable lui-même.
"Cette analyse démontre que la mise à niveau de la phase deux a eu beaucoup des effets souhaités et que les nouvelles techniques d'analyse amélioreront les analyses futures", a déclaré Pober. "Le fait que MWA ait maintenant publié consécutivement les deux meilleures limites sur le signal donne un élan à l'idée que cette expérience et son approche sont très prometteuses."
Plus:
- Communiqué de presse: Les scientifiques se rapprochent plus que jamais du signal de l'aube cosmique
- Document de recherche: Résultats de la première saison du spectre de puissance EoR MWA Phase II à Redshift 7
- Observatoire du MIT Haystack: l'époque de la réionisation
- Space Magazine: Les débuts de la galaxie repèrent l'ère de la réionisation
