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Il y avait déjà de l'eau dans l'Univers il y a 11 milliards d'années

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La détection de molécules d'eau dans les galaxies est difficile mais un groupe d'astrophysiciens vient pourtant d'en détecter en relation avec un quasar lointain vieux de 11,1 milliards d'années. Deux effets physiques ont été mis à contribution pour cela, l'effet maser et l'effet de lentille gravitationnelle.

Une autre vue de l'un des radiotélescopes orientables les plus grands du monde, celui d'Effelsberg. Crédit : Max-Planck-Institut für Radioastronomie

L'eau est l'une des substances les plus étranges de l'Univers et l'on est encore loin de tout savoir sur elle. Elle est banale pour nous mais sa détection partout dans l'Univers est cependant d'une grande importance, ne serait-ce que pour évaluer les chances d'apparition de la vie dans le cosmos. C'est pourquoi les astrophysiciens traquent sa présence à l'aide de nombreux outils.

L'un d'entre eux est le radiotélescope de 100 m du Max Planck Institute for Radio Astronomy à Effelsberg en Allemagne. Il vient d'être utilisé pour détecter un maser à eau émettant dans le domaine des micro-ondes de façon comparable à ce que ferait un laser dans le domaine optique. Ce maser est associé à un quasar du nom de MG J0414+0534 et les astrophysiciens l'observent tel qu'il était il y a 11,1 milliards d'années, c'est-à-dire presque 2,5 milliards d'années seulement après la naissance du cosmos observable. 

Cliquez pour agrandir. Le radiotélescope d'Effelsberg. Crédit : Max-Planck-Institut für Radioastronomie

Cela peut sembler étrange mais l'émission de micro-ondes par effet maser est assez fréquente dans le cosmos, au sein d'immenses nuages moléculaires où naissent les étoiles par exemple, mais aussi dans les disques d'accrétion des trous noirs géants au cœur des galaxies. On parle de masers cosmiques.

Dans le cas de MG J0414+0534 on est même en présence d'un mégamaser 10.000 fois plus lumineux que notre Soleil. Du fait de sa distance, la raie d'émission caractéristique de la molécule d'eau est décalée vers le rouge et passe d'une fréquence de 22 GHz à 6 GHz. De tels masers sont connus dans les galaxies proches de la Voie lactée mais, dans une sphère dont le rayon est de 500 millions d'années-lumière. Seules une centaine de galaxies exhibent cet effet. Sa détection est difficile et pour s'assurer de celle effectuée avec le radiotélescope d'Effelsberg, les chercheurs ont dû utiliser un autre radiotélescope, celui du célèbre Expanded Very Large Array la version modernisée du VLA, capable d'observations très fines grâce à la technique d'interférométrie.


Cliquez pour agrandir. Une vue des radiotélescopes équipant le VLA. Crédit : NRAO/AUI/Kristal Armendariz

En fait, l'observation de la raie d'émission de la molécule d'eau n'a été possible que grâce à un effet de lentille gravitationnelle. On sait depuis Einstein et les observations de l'astrophysicien Eddington que la gravitation courbe la trajectoire des rayons lumineux de sorte qu'une masse de matière donnée peut agir sur la lumière des astres comme le ferait une loupe grossissante. C'est précisément le cas avec une galaxie interposée entre MG J0414+0534 et nous. On observe alors quatre images du quasar avec une luminosité accrue, même dans le domaine des ondes radios. Grâce à cela, l'astrophysicienne Violette Impellizzeri et ses collègues n'ont mis que 14 heures d'observations continues au lieu de 580 jours pour mettre en évidence la présence de molécule d'eau (H2O) dans le passé reculé de l'Univers.


Cliquez pour agrandir. MG J0414+0534 est un quasar au centre d'une galaxie similaire à M87 (image en bas à droite). Quatre images de ce quasar sont observées par le télescope Hubble. Il s'agit d'un effet de lentille gravitationnelle. La raie de l'émission de la molécule d'eau vient d'y être observée par les astrophysiciens. Crédits : Graphique: Milde Science Communication, Image de fond : HST Archive data, Image en bas à droite : CFHT, J.-C. Cuillandre, Coelum

Les chercheurs ont publié dans Nature les résultats de leurs observations du quasar MG J0414+0534. Il en ressort que de l'eau devait déjà être présente en quantité importante assez tôt dans l'histoire du cosmos mais surtout que sa raie d'émission sous forme d'effet maser peut être utilisée pour étudier les propriétés des galaxies et des trous noirs géants dans les premiers milliards d'années de l'histoire de l'Univers. Dans le cas de MG J0414+0534, il semble que l'effet maser détecté se produise non pas dans le disque d'accrétion du trou noir géant responsable du quasar, mais plutôt dans l'un des jets de matière éjecté par le trou noir.

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