Observer l’aube cosmique à l’aide de nouveaux outils et techniques
L’époque de la réionisation (EoR) décrit la période pendant laquelle le gaz contenu dans l’Univers s’est chargé électriquement ou s’est ionisé. Pendant l’EoR, alors que l’Univers était âgé de quelques centaines de millions d’années, les premières structures complexes se sont formées – étoiles, trous noirs et galaxies. Alors que les chercheurs qui s’intéressent à l’EoR sont limités par le peu de preuves d’observation, les grands télescopes spatiaux comme le JWST, la récente utilisation des radiotélescopes ainsi que l’augmentation considérable de la puissance de calcul permettent désormais de voir plus loin dans l’histoire cosmique. Le projet FirstDawn, soutenu par le Conseil européen de la recherche, a évalué les possibilités scientifiques de ces avancées en matière d’observation pour comprendre l’EoR. «Comme chaque outil d’observation ne peut percevoir qu’une partie limitée de ce qui se passe, nous avons combiné ces différents outils, tout en développant de nouvelles façons d’utiliser les données pour en apprendre le plus possible sur l’EoR», explique Jonathan Pritchard de l’Imperial College London, qui a accueilli le projet.
Évaluer trois nouvelles approches
FirstDawn a évalué trois nouvelles approches de l’EoR – le signal global à 21 cm, la tomographie à 21 cm et la cartographie de l’intensité des lignes atomiques et moléculaires. Les atomes ou les molécules émettent des raies spectrales à des fréquences spécifiques, ce qui les rend identifiables. Le rayonnement électromagnétique de l’hydrogène émet une raie à 1 420 MHz, soit une longueur d’onde de 21 cm. L’observation de ces raies permet aux chercheurs de savoir où se trouve l’atome dans le ciel, combien il en existe et quand il a été émis. Comme la majeure partie du gaz de l’Univers primitif était de l’hydrogène, ce signal global à 21 cm peut être utilisé pour cartographier ce à quoi ressemblait l’Univers quand son âge était compris entre environ 150 millions d’années et 1 milliard d’années. «Cela nous aide à détecter la période de formation des premières étoiles et la façon dont leur lumière a chauffé et éclairé l’hydrogène qui remplissait l’espace intergalactique», explique Jonathan Pritchard. La tomographie à 21 cm va plus loin et localise l’effet du réchauffement et de l’illumination de l’hydrogène afin d’apprendre comment les galaxies étaient réparties dans l’espace et comment leur lumière a lentement ionisé l’Univers. Cela nécessite des réseaux d’antennes radio beaucoup plus vastes, comme ceux du LOFAR et du Square Kilometre Array (SKA). La cartographie de l’intensité, moins courante, recherche les raies d’atomes et de molécules plus rares, comme les atomes d’oxygène ou les molécules de monoxyde de carbone. Ces atomes plus lourds étant produits dans les étoiles, ils indiquent l’abondance et la vitesse de formation des étoiles. En comparant les observations de ces raies avec celles de l’hydrogène, les chercheurs peuvent dresser un tableau plus complet de l’EoR. L’équipe a mis au point une série de nouveaux outils statistiques utilisant le bispectre pour analyser le signal à 21 cm. Les simulations numériques utilisées pour étudier la physique complexe de la réionisation représentant un exercice de calcul colossal, FirstDawn a créé un émulateur en entraînant un réseau de neurones à réaliser rapidement et de manière efficace des simulations à 21 cm. L’équipe a également développé des modèles de différents scénarios de réionisation pour déterminer comment différentes approches statistiques pourraient les distinguer.
L’avenir de la radioastronomie
FirstDawn a considérablement contribué à la conception du SKA, un investissement majeur de l’UE, tout en jouant un rôle central dans la mise en place d’une collaboration scientifique internationale axée sur l’EoR. «Le SKA nous a fait réfléchir à l’analyse des données sous des angles nouveaux, ce qui a permis d’acquérir des compétences largement transférables. Par exemple, un de mes étudiants travaille maintenant pour une société qui applique les réseaux neuronaux et l’apprentissage automatique au diagnostic des maladies infectieuses dans les pays en développement», ajoute Jonathan Pritchard. L’équipe prévoit de développer davantage son émulation en associant des simulations plus sophistiquées à ses outils statistiques. Elle peaufine également sa modélisation de manière à éliminer les anomalies générées par les instruments d’observation afin de maximiser l’efficacité des télescopes.
Mots‑clés
FirstDawn, Époque de la réionisation, Univers, atomes, télescopes, émulateur, réseau de neurones, hydrogène, rayonnement, espace, étoiles, galaxies
