Un télescope sud-africain détecte un signal record de l’univers primitif

Les astronomes utilisant le télescope radio MeerKAT en Afrique du Sud ont découvert le mégamaser hydroxylé le plus éloigné jamais détecté, ouvrant ainsi une nouvelle frontière en radioastronomie. Un mégamaser hydroxylé est un laser spatial naturel, et celui-ci est situé dans une galaxie en fusion violente à plus de 8 milliards d’années-lumière.

Nous avons parlé avec les astronomes, Thato Manamela, chercheur postdoctoral à l’Université de Pretoria, et Roger Deane, directeur de l’Institut interuniversitaire d’astronomie intensive des données et professeur aux universités du Cap et de Pretoria, au sujet de leur étude.

Ce que vous avez trouvé a été décrit comme une « nouvelle frontière » de la recherche spatiale. Pourquoi est-ce extraordinaire?

Cette découverte est extraordinaire en raison de la distance record à laquelle nous l’avons détectée, au-delà de huit milliards d’années-lumière. Cela la place profondément dans l’univers primitif. Cela signifie que nous ne voyons pas la galaxie telle qu’elle existe aujourd’hui. Nous la voyons telle qu’elle était il y a 8 milliards d’années. Étant donné que le Big Bang s’est produit il y a environ 13,8 milliards d’années, nous regardons une version « bébé » de l’univers. À ce stade où le signal maser était transmis par la galaxie hôte, les galaxies étaient beaucoup plus « chaotiques », elles entouraient plus souvent et étaient beaucoup plus actives que les galaxies stables et matures que nous voyons aujourd’hui à proximité.

Cela nous donne un aperçu rare des interactions galactiques et des environnements extrêmes de formation d’étoiles lorsque le cosmos n’avait pas encore atteint la moitié de son âge actuel. Imaginez la lumière comme une lettre dans le courrier. Si un ami vous envoie une lettre depuis l’étranger, au moment où vous la lisez, les nouvelles sont anciennes. Dans l’espace, la lumière est cette lettre. Les « nouvelles » provenant de cette galaxie ont mis 8 milliards d’années à nous parvenir. Nous voyons la galaxie comme un « bébé », même si, en son propre temps, elle a déjà grandi ou changé.

Nous avons détecté ce mégamaser, qui fonctionne sur une échelle de puissance des millions de fois supérieure à celle d’un maser galactique typique. Les mégamasers et les gigamasers sont tous deux des lasers radio cosmiques. Alors qu’un mégamaser est un million de fois plus lumineux qu’un maser standard trouvé dans l’univers local, un gigamaser est un milliard de fois plus lumineux, ce qui le rend 1 000 fois plus puissant qu’un mégamaser.

En seulement cinq heures d’observation, nous avons trouvé un signal qui nécessite généralement des centaines d’heures d’observation, compte tenu de sa distance et de sa rareté. Mais la lentille gravitationnelle a suffisamment amplifié le signal pour le détecter. De plus, alors que nous ciblions l’hydrogène neutre, la large bande passante de MeerKAT a permis la découverte surprise du signal mégamaser dans les mêmes données.

Cette détection rapide suggère que de futures études avec MeerKAT et le futur Observatoire SKA pourraient révéler beaucoup d’autres objets distants et extrêmes de ce type. Sa capacité à trouver cela si rapidement prouve que nous avons enfin la technologie pour voir des signaux faibles provenant du très lointain passé. C’est un avant-goût de ce que pourrait accomplir le futur Square Kilometre Array (SKA) , un méga-projet international unique en son genre.

Mais une installation de nouvelle génération hautement complémentaire, appelée Very Large Array de nouvelle génération (ngVLA) , est en cours de planification et de conception pour construction aux États-Unis. L’Observatoire SKA (SKA-Low et SKA-Mid) se concentre sur les fréquences radio basses à moyennes. Le ngVLA fonctionnera à des fréquences beaucoup plus élevées. Ensemble, ils formeront deux piliers majeurs de l’astronomie radio mondiale de nouvelle génération. Cette découverte donne aux astronomes une nouvelle façon d’étudier l’évolution des galaxies dans l’univers primitif.

Quelles technologies ou capacités ont rendu cela possible?

La découverte a été rendue possible par la sensibilité et la large couverture fréquentielle du télescope radio MeerKAT. Sa capacité à détecter des signaux faibles sur une large gamme de fréquences nous permet de rechercher des raies spectrales dans de vastes volumes cosmiques. Une raie spectrale est une empreinte chimique cosmique. Chaque atome ou molécule émet des ondes électromagnétiques à des fréquences spécifiques. Détecter ces fréquences indique aux astronomes la composition du gaz.

Dans ce cas, la large bande passante de MeerKAT nous a permis de détecter à la fois la raie hydroxyl et l’absorption d’hydrogène neutre en une seule observation. Auparavant, avec des technologies plus anciennes, cela aurait nécessité deux observations séparées.

Les avancées dans le traitement et le calcul des données sont tout aussi importantes. Les données ont été traitées à l’aide de ressources informatiques haute performance à l’Institut interuniversitaire d’astronomie intensive des données (IDIA) .

Le traitement de quantités de données aussi massives est comme essayer de boire à une lance à incendie. MeerKAT collecte des gigaoctets d’informations chaque seconde, ce qui donne des fichiers beaucoup trop volumineux pour qu’un ordinateur standard puisse les gérer. Pour trouver un signal datant de 8 milliards d’années, et qui est des millions de fois plus faible qu’un signal de téléphone portable, nous devons utiliser des pipelines de calibrage robustes. Ceux-ci agissent comme un lavage automobile automatisé et haute technologie pour éliminer le bruit numérique et affûter la focalisation du télescope. Ce processus de « nettoyage » nécessite des milliers de milliards de calculs mathématiques, nécessitant l’utilisation d’ordinateurs supercalculateurs qui travaillent pendant des jours pour transformer les interférences radio brutes en une découverte scientifique claire.

L’effet de lentille gravitationnelle a également joué un rôle clé. Un objet massif au premier plan, comme une étoile ou une galaxie, par exemple, a amplifié le signal provenant de la galaxie lointaine, agissant effectivement comme un télescope naturel et renforçant notre capacité à la détecter.

Comment ce que vous avez trouvé modifie-t-il notre compréhension de l’univers?

Il est rare qu’un seul système astrophysique, une collection d’objets célestes, dans ce cas, deux galaxies formant un système de lentille, puisse modifier notre compréhension de l’univers. Nous avons généralement besoin de grandes tailles d’échantillon pour cela. Mais la combinaison de la distance record et de la rapidité de la découverte a été impressionnante.

Cela suggère que des recherches systématiques – telles que celles menées par les relevés profonds de MeerKAT – pourraient transformer ces découvertes autrefois rares en puissantes sondes de formation stellaire extrême, mais hautement obscurcie, dans l’univers lointain. Suite à cette observation, l’Observatoire SKA et autres futurs télescopes ne chercheront pas seulement plus de ce même; ils chercheront une histoire cachée.

Les mégamasers d’hydroxyde sont généralement associés aux fusions de galaxies. Nous nous attendons à ce que certaines fusions de galaxies hébergent des paires de trous noirs supermassifs. Presque toutes les grandes galaxies possèdent un trou noir supermassif au centre. Lorsque les galaxies fusionnent, les trous noirs supermassifs situés dans leurs centres peuvent éventuellement spiraler l’un vers l’autre, produisant des ondes gravitationnelles, des ondulations dans l’espace-temps. La découverte de systèmes comme celui-ci aide les astronomes à étudier une étape importante de l’évolution galactique et les environnements où ces événements extrêmes se produisent.

En utilisant les mégamasers pour trouver ces paires, nous pouvons étudier les étapes finales de la construction des objets les plus massifs de l’univers. Il s’agit d’un jalon majeur dans la vie d’une galaxie. En trouvant ces galaxies maintenant, nous les saisissons à un stade évolutif clé, le compte à rebours final avant qu’elles ne entrent en collision et ne libèrent une énorme explosion d’énergie que notre prochaine génération de détecteurs sera capable d’entendre.

La force du signal d’hydroxyde détecté par MeerKAT après un temps d’observation aussi court implique donc que les astronomes seront en mesure de détecter un grand nombre de ces systèmes sur la majeure partie du temps cosmique.

Qu’est-ce que cette découverte révèle sur la place de l’Afrique du Sud dans l’astronomie radio à forte intensité de données?

Cette découverte met en évidence le rôle moteur de l’Afrique du Sud dans l’astronomie radio. Des installations telles que MeerKAT, combinées à des plateformes intensives en données comme IDIA, offrent des capacités de classe mondiale tant pour l’observation que pour l’analyse. Elle démontre également une solide expertise locale dans la gestion de grands ensembles de données complexes.

Des découvertes comme celle-ci reposent sur le traitement avancé des données, l’extraction de signaux et l’interprétation scientifique. Ce sont là des atouts majeurs au sein de la communauté de recherche sud-africaine. Alors que nous passons de l’utilisation des télescopes éclaireurs actuels comme MeerKAT à la construction et à l’exploitation du plus grand observatoire radio du monde, le SKAO, l’Afrique du Sud est bien placée pour rester un centre névralgique pour l’astronomie intensive en données. Des résultats comme celui-ci renforcent le rôle du pays dans l’élaboration de l’avenir du domaine.

Thato Manamela travaille pour l’Université de Pretoria. Il reçoit un financement de la National Research Foundation (NRF SARAO) . Il est affilié à UP et IDIA.

Roger P. Deane occupait auparavant une Chaire de recherche SKA en astronomie radio, financée par l’Observatoire sud-africain d’astronomie radio, qui est une installation de la National Research Foundation (NRF) , une agence du Department of Science, Technology and Innovation (DSTI) .