Détection d’un puissant rayonnement d’ondes radio provenant de l’espace lointain

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Vue d’artiste d’un mégamaser hydroxyle. | IDIA/LADUMA à partir de données de NASA/StSci/SKAO/MolView
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Grâce au télescope MeerKAT, situé en Afrique du Sud, une équipe internationale d’astronomes a repéré un puissant laser à ondes radio, appelé « mégamaser » — une émission produite lors d’importants événements cosmologiques, tels que deux galaxies entrant en collision. Il s’agit du mégamaser le plus lointain jamais détecté : sa source se situe à environ cinq milliards d’années-lumière de la Terre. C’est aussi l’un des plus lumineux connus. Cette découverte pourrait aider à mieux comprendre comment l’Univers a évolué au fil du temps.

Tout comme un laser émet dans la gamme de la lumière visible, un maser désigne aussi un rayonnement à émission stimulée, mais sa fréquence se situe généralement dans la gamme des micro-ondes et des ondes radio. La plupart des masers extragalactiques connus sont des mégamasers, qui se caractérisent par une extrême luminosité, généralement 1000 fois supérieure à la luminosité du Soleil. La plupart sont ce que l’on appelle des « mégamasers hydroxyle », ce qui signifie que la raie spectrale amplifiée est associée à une transition dans la molécule d’hydroxyle (OH).

Les galaxies sont constituées de centaines de milliards d’étoiles, de gaz et de matière noire. Lorsque deux galaxies fusionnent, le gaz qu’elles contiennent devient extrêmement dense. Les molécules qui s’y trouvent, en particulier les molécules d’hydroxyle, peuvent dès lors émettre des signaux radio spécifiques, qui sont parfois extrêmement brillants : ce sont des mégamasers. Dans l’Univers local, les mégamasers hydroxyle (notés OHM) sont détectés presque exclusivement dans les galaxies infrarouge lumineuses, avec une prévalence qui augmente avec la luminosité IR, ce qui suggère qu’ils traduisent des fusions de galaxies riches en gaz, expliquent les astronomes dans leur étude.

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Une découverte fortuite qui bat des records

C’est à partir des observations de l’étude LADUMA (Looking At the Distant Universe with the MeerKAT Array) que les astronomes ont réalisé la première détection non ciblée d’un OHM avec un décalage vers le rouge (redshift) supérieur à 0,5, nommé LADUMA J033046.20-275518.1 (et surnommé « Nkalakatha », un mot zoulou signifiant « grand patron »). Le système hôte, la galaxie WISEA J033046.26-275518.3, est une radio galaxie infrarouge-lumineuse, dont le redshift est d’environ 0,52 — ce qui, au passage, permet de revoir à la hausse les limites de détection du MeerKAT. C’est la première fois qu’un mégamaser est détecté à cette distance.

Cet OHM a été repéré lors de la première nuit d’une enquête impliquant plus de 3000 heures d’observations par le télescope MeerKAT ! « Il est impressionnant qu’en une seule nuit d’observations avec MeerKAT, nous ayons déjà trouvé un mégamaser qui bat des records de décalage vers le rouge », a déclaré Marcin Glowacki, astronome au Centre international de recherche en radioastronomie (ICRAR) d’Australie occidentale.

Les OHM émettent de la lumière à une longueur d’onde de 18 cm, soit dans la partie radio du spectre électromagnétique, que le radiotélescope MeerKAT est tout à fait apte à détecter. L’équipe utilise ce télescope pour scruter en profondeur certaines régions du ciel, afin de mesurer l’hydrogène gazeux neutre contenu dans les galaxies des neuf derniers milliards d’années. « 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 Sarah Blyth, astronome à l’Université du Cap et co-auteure de l’étude.

Des phénomènes probablement plus fréquents dans le passé

Pour mesurer 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 à mesure de l’expansion de l’Univers. C’est alors qu’ils ont détecté cette émission lumineuse d’hydroxyle particulièrement intense (l’équivalent d’environ 6,3 x 103 luminosité solaire), dont la longueur d’onde d’origine avait été encore plus étirée. Une fois que l’équipe a réalisé qu’il s’agissait d’un mégamaser, restait à repérer sa galaxie hôte.

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Parce que cette zone du ciel avait été largement observée dans d’autres longueurs d’onde, celle-ci a été facilement identifiée : il s’agit de WISEA J033046.26-275518.3, une galaxie connue pour avoir une longue queue sur un côté, visible dans les ondes radio. Elle se trouve à environ 58 mille milliards de milliards de kilomètres, et la lumière du mégamaser a été émise il y a environ 5 milliards d’années, alors que l’Univers n’avait que les deux tiers de son âge actuel.

L’étude des OHM, associée à la quantification de l’hydrogène depuis les galaxies lointaines jusqu’aux galaxies proches, pourrait éclairer certains des processus de l’évolution de l’Univers. L’équipe va entreprendre des observations de suivi de ce mégamaser et espère faire d’autres découvertes similaires. « MeerKAT va probablement doubler 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 permettrons de vérifier cette hypothèse », commente le professeur Jeremy Darling, expert en mégamasers de l’Université du Colorado et co-auteur de l’étude.

Rappelons que le MeerKAT est un précurseur du télescope Square Kilometre Array (SKA) en cours de construction, et sera intégré dans la composante moyenne fréquence de la phase 1 du projet — une phase qui devrait s’achever à l’horizon 2024 et qui constituera 10% du réseau final.

Source : M. Glowacki et al., arXiv

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