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Les astronomes du MIT ont utilisé un amas massif de galaxies comme loupe pour rayons X afin de regarder dans le passé, il y a près de 9,4 milliards d’années. Ce faisant, ils ont repéré une toute petite galaxie naine à ses premiers stades de formation d’étoiles à haute énergie.

Un lentille à rayons X

Bien que les amas de galaxies aient été utilisés pour agrandir des objets à des longueurs d’onde optiques, c’est la première fois que des scientifiques utilisent ces géants gravitationnels massifs pour agrandir des phénomènes extrêmes, distants et émetteurs des rayons X.
Ce qu’ils ont détecté semble être une tache bleue d’une galaxie infantile, d’environ 1/10 000 de la taille de notre Voie Lactée, en train de produire ses premières étoiles – des objets supermassifs, de courte durée de vie cosmique, qui émettent des rayons X à haute énergie, que les chercheurs ont détectée sous forme d’arc bleu brillant.
« C’est cette petite tache bleue, qui signifie que c’est une très petite galaxie qui contient beaucoup de jeunes étoiles très massives et très chaudes qui se sont formées récemment », explique Matthew Bayliss, chercheur scientifique à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT. « Cette galaxie est semblable aux toutes premières galaxies qui se sont formées dans l’Univers; le genre de galaxies que personne n’a jamais vu aux rayons X dans l’Univers lointain auparavant. »
Selon Bayliss, la détection de cette galaxie unique et lointaine prouve que les scientifiques peuvent utiliser les amas de galaxies comme loupes à rayons X naturelles pour déceler des phénomènes extrêmes et hautement énergétiques des débuts de l’histoire de l’Univers.
« Avec cette technique, nous pourrions, à l’avenir, zoomer sur une galaxie lointaine et en dater différentes parties – pour dire, si cette partie a des étoiles qui se sont formées il y a 200 millions d’années, contre une autre partie qui s’est formée il y a 50 millions d’années, et les séparer. » dit Bayliss, qui va passer à l’Université de Cincinnati comme professeur assistant en physique.
Lui et ses coauteurs, dont Michael McDonald, professeur adjoint de physique au MIT, ont publié leurs résultats aujourd’hui dans la revue Nature Astronomy.

Une bougie dans la lumière

Les amas de galaxies sont les objets les plus massifs de l’Univers, et sont composés de milliers de galaxies, toutes liées les unes aux autres par la gravité. Les amas de galaxies sont si massifs et leur attraction gravitationnelle est si forte qu’ils peuvent déformer le tissu de l’espace-temps, déformant l’Univers et toute la lumière environnante, tout comme un éléphant tendrait et déformerait un trapèze.
Les scientifiques ont utilisé des amas de galaxies comme loupes cosmiques, avec une technique connue sous le nom de lentilles gravitationnelles. L’idée est que si les scientifiques peuvent estimer la masse approximative d’un amas de galaxies, ils peuvent estimer ses effets gravitationnels sur toute la lumière environnante, ainsi que l’angle sous lequel un amas peut dévier cette lumière.
Imaginez, par exemple, qu’un observateur, faisant face à un amas de galaxies, tente de détecter un objet, comme une galaxie derrière cet amas. La lumière émise par cet objet se dirigeait droit vers l’amas, puis se penchait autour de l’amas. Elle continuerait à se déplacer vers l’observateur, bien qu’à des angles légèrement différents, apparaissant à l’observateur comme des images en miroir d’un même objet, qui à la fin peut être combiné comme une image unique, « agrandie ».
Les scientifiques ont utilisé des amas de galaxies pour agrandir des objets à des longueurs d’onde optiques, mais jamais dans la bande des rayons X du spectre électromagnétique, principalement parce que les amas de galaxies émettent eux-mêmes une énorme quantité de rayons X. Les scientifiques ont pensé qu’il serait impossible de discerner les rayons X provenant d’une source de fond à partir de l’éblouissement des amas.
« Si vous essayez de voir une source de rayons X derrière une grappe, c’est comme si vous essayiez de voir une bougie à côté d’une lumière très vive « , dit Bayliss. « Nous savions donc que c’était une mesure difficile à faire. »

Faire une soustraction des rayons X

Les chercheurs se sont demandé : pourrions-nous soustraire cette lumière vive et voir la bougie derrière ? En d’autres termes, pourraient-ils éliminer les rayons X venant de l’amas de galaxies, pour voir les rayons X beaucoup plus faibles provenant d’un objet, derrière et amplifiés par l’amas ?
L’équipe a testé cette idée à l’aide d’observations réalisées par l’observatoire de rayons X Chandra de la NASA, l’un des télescopes spatiaux à rayons X les plus puissants du monde. Ils ont examiné en particulier les mesures de Chandra de l’amas de Phoenix, un amas de galaxies lointain situé à 5,7 milliards d’années-lumière de la Terre, dont on estime qu’il est environ un quadrillion de fois plus massif que le Soleil, avec des effets gravitationnels qui devraient en faire une lentille grossissante puissante et naturelle.
« L’idée est de prendre votre meilleur télescope à rayons X – dans ce cas-ci, Chandra – et d’utiliser un objectif naturel pour agrandir et rendre Chandra plus grand, afin que vous puissiez voir des choses plus éloignées », dit Bayliss.
Lui et ses collègues ont analysé les observations de l’amas Phoenix, prises en continu par Chandra pendant plus d’un mois. Ils ont également examiné des images de l’amas prises par deux télescopes optiques et infrarouges – le télescope spatial Hubble et le télescope Magellan au Chili. Avec toutes ces différentes vues, l’équipe a développé un modèle pour caractériser les effets optiques de la grappe, ce qui a permis aux chercheurs de mesurer précisément les émissions de rayons X de la grappe et de les soustraire des données.
Ils se sont retrouvés avec deux diagrammes similaires d’émissions de rayons X autour de l’amas, qu’ils ont déterminé comme étant  » lentilisés « , ou pliés par la gravité, via l’amas. En remontant dans le temps, ils ont découvert que toutes ces émissions provenaient d’une source unique et lointaine : une minuscule galaxie naine datant d’il y a 9,4 milliards d’années, lorsque l’univers lui-même avait environ 4,4 milliards d’années, soit environ un tiers de son âge actuel.
« Auparavant, Chandra n’avait vu qu’une poignée de choses à cette distance, dit Bayliss. « En moins de 10 % du temps, nous avons découvert cet objet, tout aussi éloigné. Et c’est la lentille gravitationnelle qui nous permet de le faire. »

Une combinaison qui permet de voir cette minuscule galaxie

La combinaison de Chandra et de la puissance de cristallisation naturelle de l’amas Phoenix a permis à l’équipe de voir la minuscule galaxie qui se cache derrière l’amas, qui a été agrandie environ 60 fois. À cette résolution, ils ont pu faire un zoom avant pour discerner deux amas distincts dans la galaxie, l’un produisant beaucoup plus de rayons X que l’autre.
Comme les rayons X sont généralement produits lors de phénomènes extrêmes et de courte durée de vie, les chercheurs croient que le premier amas riche en rayons X indique qu’une partie de la galaxie naine a des étoiles supermassives, alors que la région la plus calme est une région plus ancienne qui contient des étoiles plus matures.
« Nous attrapons cette galaxie à un stade où il y a de très jeunes étoiles », dit Bayliss. « Chaque galaxie devait commencer dans cette phase, mais nous ne voyons pas beaucoup de galaxies de ce genre dans notre propre voisinage. Maintenant, nous pouvons remonter le temps, regarder dans l’Univers lointain, trouver des galaxies dans cette première phase de leur vie, et commencer à étudier comment la formation des étoiles y est différente. »
Source : MIT
Crédit photo : Pixabay

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