A search for HI absorption in distant star-forming galaxies with ASKAP-FLASH - II. Direct observations and stacking of 21 cm line
En utilisant ASKAP-FLASH, cette étude rapporte une nouvelle détection d'absorption HI à 21 cm dans une galaxie radio à z=0,863 et présente des signaux d'empilement provisoires pour les galaxies à formation d'étoiles associées dépendant de la luminosité des sources et des facteurs de couverture, tout en ne trouvant aucune différence significative entre les taux d'absorption des sources à formation d'étoiles et des sources radio générales pour 0,4 < z < 1,0.
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Imaginez l'univers comme un vaste océan cosmique. La majeure partie de l'eau dans cet océan n'est pas liquide ; c'est une brume froide et invisible appelée gaz d'hydrogène neutre. Ce gaz est la matière première, l'« argile », que les galaxies utilisent pour construire de nouvelles étoiles. Sans un approvisionnement constant en ce gaz, l'usine de fabrication d'étoiles d'une galaxie finirait par manquer de carburant et s'éteindrait. Les astronomes savent depuis longtemps comment trouver ce gaz dans notre propre voisinage, l'univers « local », en écoutant un faible murmure radio connu sous le nom de raie à 21 cm. C'est comme entendre une note spécifique jouée par un violoncelle dans une pièce calme.
Cependant, lorsque nous regardons plus loin dans l'univers, nous regardons également dans le passé. Plus une galaxie est éloignée, plus son murmure radio devient faible, ce qui le rend presque impossible à entendre directement. Pour résoudre cela, les astronomés utilisent un tour astucieux : ils cherchent des ombres. Si un phare radio brillant et lointain (comme un phare de marine) traverse un nuage de ce gaz froid, le gaz absorbe une infime partie de la lumière, créant une petite chute sombre ou une « ombre » dans le signal. C'est ce qu'on appelle l'absorption. En traquant ces ombres, les scientifiques peuvent cartographier l'endroit où le gaz se cache, même dans le passé lointain. Mais il y a un piège : les nuages de gaz sont souvent parsemés, comme un tamis, et les lumières d'arrière-plan ne sont pas toujours parfaitement alignées. Cela rend la recherche de ces ombres semblable à la tentative de repérer une ombre spécifique projetée par un nuage sur un train en mouvement, en utilisant seulement une lampe de poche qui vacille.
Dans cette nouvelle étude, une équipe d'astronomes a décidé de porter un regard neuf sur ce jeu de cache-cache cosmique. Ils se sont concentrés sur une époque spécifique de l'histoire de l'univers, lorsque les galaxies étaient à un décalage vers le rouge (redshift) compris entre 0,4 et 1,0, une période où la formation d'étoiles était effrénée. Ils ont utilisé un nouveau réseau de radiotélescopes puissant en Australie appelé ASKAP, spécifiquement son relevé « FLASH », qui est conçu pour traquer ces ombres à 21 cm. L'équipe avait deux stratégies principales. Premièrement, ils ont regardé directement les sources radio brillantes situées juste à côté ou derrière des galaxies formant des étoiles, espérant capturer une ombre directe. Deuxilement, ils ont essayé une technique appelée « empilement » (stacking). Imaginez que vous preniez 200 photos très faibles et floues d'un fantôme que personne ne peut vraiment voir, puis que vous les superposiez toutes les unes sur les autres. Si le fantôme est là, les couches devraient s'additionner pour le rendre visible. L'équipe a empilé des centaines de spectres (bandes sonores radio) de galaxies qui ne montraient pas d'ombre claire sur elles-mêmes, espérant que le signal combiné révélerait un motif caché.
Les résultats ont été un mélange d'une découverte excitante unique et de beaucoup de « presque ». L'équipe a trouvé une nouvelle ombre candidate : un nuage de gaz froid situé juste devant une galaxie radio nommée NVSS J214954-004657. Bien que cette caractéristique paraisse prometteuse, les chercheurs l'ont explicitement qualifiée de « provisoire ». Des tests statistiques utilisant une méthode appelée bootstrapping n'ont pas soutenu qu'il s'agissait d'une détection robuste et confirmée, ce qui signifie qu'il pourrait s'agir simplement d'une fluctuation chanceuse dans le bruit plutôt que d'un signal réel. Cependant, lorsqu'ils ont tenté de trouver un « fantôme » en empilant les signaux faibles de centaines d'autres galaxies, les résultats ont été délicats. Lorsqu'ils ont empilé les sources les plus brillantes en premier, ils ont vu un signal faible et provisoire qui ressemblait à une ombre. Mais à mesure qu'ils ajoutaient de plus en plus de sources plus faibles à la pile, ce signal semblait disparaître, noyé sous le bruit. C'est comme si le « fantôme » n'était visible que lorsque la pièce était très calme, mais que dès que plus de gens commençaient à parler (en ajoutant des sources plus faibles), le murmure était étouffé.
Les chercheurs ont également comparé leurs galaxies formant des étoiles à un groupe de contrôle composé de galaxies radio qui ne fabriquent pas nécessairement de nouvelles étoiles. Ils n'ont trouvé aucune différence significative dans la fréquence à laquelle ils pouvaient repérer les ombres de gaz dans l'un ou l'autre groupe. Cela suggère que le fait d'être une usine de fabrication d'étoiles ne rend pas nécessairement une galaxie plus facile ou plus difficile à trouver de cette manière spécifique. L'équipe a également effectué des vérifications statistiques pour voir si leur découverte unique n'était pas un simple coup de chance. Ils ont constaté que, compte tenu de la sensibilité de leur télescope et du nombre de galaxies observées, trouver exactement une ombre était en fait ce qu'ils auraient dû attendre. Ce n'était pas un miracle ; c'était une correspondance statistique.
En fin de compte, l'article suggère que bien que nous puissions trouver ces nuages de gaz lointains un par un, la méthode de l'empilement a une limite. Il semble que la luminosité de la source radio d'arrière-plan et le « facteur de couverture » (combien de la source est réellement bloquée par le nuage de gaz) jouent un rôle majeur. Si la lumière d'arrière-plan est trop faible ou si le nuage de gaz est trop parsemé, le signal se perd. Les auteurs concluent que, bien qu'ils aient progressé, nous aurons probablement besoin de télescopes encore plus sensibles, comme le futur Square Kilometre Array (SKA), pour réellement entendre les murmures du gaz froid de l'univers dans cette ère. Pour l'instant, nous savons que le gaz est là, mais écouter tout le chœur à la fois reste un défi.
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