L’hydrogène cosmique à 5 milliards d’années-lumière était caché dans les données de MeerKAT depuis 2018

Lorsque Sourabh Paul et ses collaborateurs se sont plongés dans les archives, ils cherchaient un signal que la plupart des astronomes pensaient nécessiter deux télescopes pour être détecté. Ce qui est ressorti de 96 heures de données radio de MeerKAT, c’est un faible murmure à 21 centimètres, la signature radio spécifique de l’hydrogène neutre, portant des informations de deux moments de l’histoire cosmique où l’univers avait environ neuf et dix milliards d’années. Le signal avait parcouru 3,67 et 4,76 milliards d’années-lumière pour atteindre les 64 antennes déployées dans le Northern Cape en Afrique du Sud.

La distance importe moins que ce qu’il a fallu pour l’entendre. Chaque tentative précédente de détection de l’hydrogène de cette manière nécessitait de recouper les observations radio avec un catalogue de galaxies identifiées par un télescope optique. Cette fois, l’équipe de MeerKAT n’a eu besoin d’aucun catalogue. La détection, publiée dans The Astrophysical Journal Letters, est le premier résultat direct de cartographie de l’intensité de l’hydrogène obtenu par un seul observatoire radio travaillant seul.

Comment ils l’ont entendu

Les atomes d’hydrogène neutre émettent des ondes radio à une longueur d’onde précise de 21 centimètres, produite lorsque l’électron unique d’un atome d’hydrogène inverse son spin. C’est l’un des signaux les plus abondants dans l’univers, mais aussi l’un des plus dilués sur les distances cosmiques. La cartographie de l’intensité de l’hydrogène ne cherche pas à résoudre des galaxies individuelles. Elle mesure l’émission radio combinée de millions de galaxies non résolues simultanément. « Avec le intensity mapping, nous n’avons pas besoin de détecter chaque galaxie individuellement », a déclaré le Dr Zhaoting Chen, co-auteur de l’article. La technique est plus proche du fait d’entendre le bruit de fond d’une pièce bondée que de distinguer une seule conversation.

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L’obstacle est la contamination par les premiers plans. Les émissions radio de la Voie lactée elle-même sont de plusieurs ordres de grandeur plus fortes que le signal cosmologique de l’hydrogène. Les interférences terrestres, les artefacts instrumentaux et les sources radioélectriques de l’univers proche rivalisent toutes avec le faible murmure provenant de milliards d’années-lumière. L’équipe a développé des méthodes de calibration pour séparer ce qui appartient à notre galaxie de ce qui appartient au passé profond, en travaillant entièrement avec les archives radio de MeerKAT.

Le résultat couvre deux fenêtres de décalage vers le rouge, z ≈ 0,32 et z ≈ 0,44, correspondant à des variations d’hydrogène mesurées à des échelles de plusieurs millions d’années-lumière, à peu près comparables à la séparation entre la Voie lactée et Andromède. C’est une tranche étroite de l’histoire cosmique. Mais elle est bien réelle, extraite sans le soutien d’aucune donnée optique.

Ce qui nécessitait deux télescopes auparavant

L’approche standard précédente, consistant à corréler les données radio avec un relevé optique de galaxies, fonctionnait parce que les décalages vers le rouge optiques fournissent des ancrages positionnels précis pour la localisation des galaxies. Le signal radio est trop faible pour être attribué à des sources spécifiques par lui-même, donc le coupler à un catalogue optique permettait aux astronomes de vérifier que ce qu’ils voyaient était authentique. La technique de corrélation croisée a produit des détections, mais elle imposait un plafond : l’hydrogène ne pouvait être cartographié que là où un relevé optique avait déjà catalogué le ciel.

La détection directe lève ce plafond. Un observatoire radio peut désormais sonder l’hydrogène dans des régions du ciel et des époques du temps cosmique où aucun relevé optique n’existe, ou là où les relevés optiques ne peuvent pas atteindre parce que les galaxies sont trop faibles. La toile cosmique, les filaments et les vides de matière noire et de matière ordinaire qui donnent à l’univers sa structure à grande échelle, peut être tracée à travers l’hydrogène, que les relevés optiques aient couvert la même zone ou non.

L’auteur principal, le Dr Sourabh Paul, l’a dit directement : « Détecter directement l’hydrogène avec MeerKAT montre que cette technique devient un outil pratique pour la cosmologie. »

Ce que le signal ne nous dit pas encore

Deux fenêtres de décalage vers le rouge issues d’un seul ensemble de données de 96 heures ne sont pas une carte de l’univers. Le résultat actuel couvre une zone limitée du ciel et deux tranches spécifiques du temps cosmique. Des relevés étendus, couvrant plus de ciel et plus d’époques, sont nécessaires avant que la cartographie de l’intensité de l’hydrogène puisse contraindre les paramètres cosmologiques que la technique était conçue pour mesurer : la constante de Hubble, la densité d’énergie noire, la géométrie de l’univers à différents âges.

La soustraction des premiers plans, bien que réussie, introduit des incertitudes systématiques difficiles à quantifier précisément. Toute imperfection dans l’élimination de l’émission de la Voie lactée laisse un résidu qui pourrait contaminer le signal cosmologique. Une vérification indépendante avec différents observatoires ou avec de nouvelles données de MeerKAT aiderait à trancher la question du signal par rapport à l’artefact.

Les deux fenêtres de décalage vers le rouge atteintes dans cette détection correspondent à l’univers à environ 70 et 66 pour cent de son âge actuel. Ce ne sont pas les époques où l’énergie noire et la formation des structures créent les contrastes cosmologiques les plus utiles. Les observations futures poussant vers des décalages vers le rouge plus élevés, où la compétition entre l’énergie noire et la densité de matière est la plus visible dans la façon dont les structures croissent, seront le véritable test de la cartographie de l’intensité de l’hydrogène en tant que sonde cosmologique.

Questions fréquentes sur la cartographie de l’intensité de l’hydrogène

Qu’est-ce que la raie à 21 centimètres et pourquoi est-elle importante ?

Les atomes d’hydrogène neutre émettent un faible signal radio à exactement 21 centimètres de longueur d’onde, provoqué par une transition d’énergie dans l’électron unique de l’atome. Parce que l’hydrogène est l’élément le plus abondant de l’univers, cette émission est partout dans le cosmos. À mesure que l’univers s’étend, le signal s’étire vers des longueurs d’onde plus longues. Mesurer cet étirement indique aux astronomes à la fois la distance de la source et le moment où la lumière est partie. C’est le signal de diffusion intégré de l’univers, transmis en continu depuis la formation des premiers atomes.

Pourquoi MeerKAT n’avait-il pas fait cette détection plus tôt ?

Les données ont été collectées au cours de la première année d’opérations scientifiques du télescope. Identifier une méthode d’analyse fonctionnelle, développer les techniques de suppression des premiers plans et les appliquer aux données d’archives a nécessité des années de travail de calibration. Le signal a toujours été dans les données. L’extraire proprement a exigé que la méthodologie rattrape son retard. Le professeur Mario Santos a noté qu’il est « particulièrement remarquable » que la détection provienne de données collectées si tôt dans la vie opérationnelle de MeerKAT.

Qu’est-ce que le Square Kilometre Array et comment ce résultat l’éclaire-t-il ?

Le Square Kilometre Array Observatory (SKAO), en construction en Afrique du Sud et en Australie, disposera d’une surface de collecte environ 50 fois supérieure à celle de MeerKAT. La cartographie de l’intensité de l’hydrogène devrait être l’un de ses programmes scientifiques centraux. MeerKAT est le prédécesseur direct du SKAO. Démontrer que la cartographie directe de l’intensité de l’hydrogène fonctionne en pratique donne aux équipes scientifiques du SKAO des méthodes validées et une base de référence pour planifier leurs premiers relevés. La professeure Laura Wolz a qualifié le résultat de MeerKAT d’indicateur « pour les futures observations avec le SKAO ».

La cartographie de l’intensité de l’hydrogène détecte-t-elle la matière noire ?

Pas directement. Le signal à 21 cm provient des atomes d’hydrogène ordinaires. Ce qu’il trace, c’est la distribution à grande échelle de la matière ordinaire, qui suit l’échafaudage gravitationnel construit par la matière noire au cours de l’histoire cosmique. En comparant les cartes d’hydrogène à la distribution des galaxies et aux données de lentille gravitationnelle, les cosmologistes peuvent déduire la densité et l’agglomération de la matière noire sans détecter les particules de matière noire elles-mêmes.

L’équipe prévoit d’étendre le relevé à une couverture céleste plus large et à des sessions d’observation plus longues, poussant la détection vers des décalages vers le rouge plus élevés et des cartes d’hydrogène plus denses. Les archives de MeerKAT contiennent des données de ses premières années d’opérations qui n’ont pas encore été analysées pour la cartographie de l’intensité de l’hydrogène. Le signal entendu à partir des observations de 2018 pourrait être le premier de plusieurs autres en attente d’être découverts.

Référence : Paul, S., Chen, Z., Santos, M.G., et Wolz, L., « A Direct Detection of Neutral Hydrogen Intensity Mapping on Mpc Scales at z ≈ 0.32 and z ≈ 0.44, » The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/ae808f

Étiquettes: astronomy, 21-cm line, hydrogen intensity mapping, MeerKAT, radio astronomy, SKAO

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