Le plus lointain « mégalaser » cosmique a été découvert par MeerKAT

Une équipe internationale de radioastronomes menée par un chercheur de la Curtin University en Australie a déposé un article sur Arxiv dans laquelle elle annonce avoir identifié le plus lointain laser cosmique connu, un mégamaser probablement produit par une collision de galaxies. Les photons masers produits ont voyagé pendant environ 5 milliards d'années pour rejoindre les antennes du réseau de radiotélescopes nommé MeerKAT et situé en Afrique du Sud.

Insistons sur le fait que la source subit bel et bien, à strictement parler, un effet maser et pas laser. Dans les deux cas cependant, il s'agit des conséquences du même effet physiquephysique prédit en 1917 par Albert EinsteinEinstein lorsqu'il a réussi à déduire la loi du corps noircorps noir découverte par Max PlanckMax Planck en 1900 et qui a été à l'origine de la révolution quantique, à partir du modèle de l'atome de Bohratome de Bohr. Einstein avait alors été conduit à postuler qu'en plus du processus d'excitation d'un atome par la lumièrelumière lui faisant absorber un photon, ce qui faisait sauter un électronélectron sur un niveau d'énergieénergie supérieur dans l'atome de Bohr, la lumière pouvait conduire à provoquer l'effet inverse, à savoir une transition vers un état inférieur entre les états d'énergie discrets de l'atome de Bohr. On parle donc à propos de cet effet d'émission stimuléeémission stimulée, et c'est le principe du laser.

Toutefois, cet effet n'a été vraiment mis en pratique par les physiciensphysiciens qu'en 1953, lorsque Charles H. Townes réalisa le premier amplificateur à micro-ondes, un dispositif fonctionnant sur des principes similaires à celui du laser, mais basé sur les micro-ondes plutôt que l'infrarougeinfrarouge ou le rayonnement visible. Ce premier maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, soit amplification de micro-ondes par émission stimulée de rayonnement) ne fonctionnait pas en continu. Ce sont les physiciens russes Nikolay Basov et Aleksandr Prokhorov qui résoudront ce problème peu de temps après, obtenant le prix Nobel avec Townes en 1964.

Un maser mille fois plus brillant que le Soleil

Ce n'est que suite à la réalisation du premier maser que devait s'ouvrir la voie conduisant à celle du premier laser, acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (en français, amplification de la lumière par émission stimulée de radiation), fonctionnant donc dans le domaine de la lumière visible. La performance fut l'œuvre en 1960 du physicien Theodor Maiman.

L'effet maser peut se produire à l'échelle galactique et on parle alors de mégamaser. Mais, à plus petite échelle on parle de masers astrophysiquesastrophysiques. On connaît plusieurs exemples de région dans la Voie lactéeVoie lactée qui sont les lieux d'un effet maser, mais avec les mégamasers, il est question d'un phénomène 100 millions de fois plus brillant, avec une luminositéluminosité totale de l'ordre de 1.000 fois celle du SoleilSoleil.

Les chercheurs ont découvert des masers astrophysiques depuis 1965, d'abord associés à des moléculesmolécules hydroxylées (OH), puis à des molécules d'eau et de monoxyde de siliciumsilicium. Ils se situaient dans la Voie lactée mais en 1973, les astronomesastronomes en ont découvert un dans NGCNGC 253 et finalement le premier mégamaser dans la galaxie Arp 220. Plus de 200 mégamasers sont connus à ce jour.

Vue d'artiste d'un maser hydroxyle. À l'intérieur d'une fusion de galaxies se trouvent des molécules d'hydroxyle (OH), composées d'un atome d'hydrogène et d'un atome d'oxygène. Lorsqu'une molécule absorbe un photon à une longueur d'onde de 18 cm, elle émet deux photons de même longueur d'onde. Lorsque le gaz moléculaire est très dense, généralement lorsque deux galaxies fusionnent, cette émission devient très brillante et peut être détectée par des radiotélescopes tels que le MeerKAT. © IDIA/LADUMA utilisant les données de NASA/StSci/SKAO/MolView

Le principe est le même que dans le milieu matériel où se produit l'amplification de radiation. Une population d'atomes ou de molécules est excitée sur un niveau d'énergie supérieur à celui de son état fondamentalétat fondamental, par exemple lors d'une collision galactique qui va chauffer le gazgaz dans les galaxies. Le retour à l'état fondamental spontanément d'une partie de cette population va alors produire une onde qui va stimuler en avalancheavalanche l'émission des autres systèmes quantiques.

Le mégamaser observé par MeerKAT, en Afrique du Sud, est produit par des radicaux hydroxyl OH. C'est le premier du genre découvert par cet instrument en plus d'être le plus lointain connu à ce jour. Les astrophysiciensastrophysiciens l'ont baptisé « Nkalakatha » [prononcé ng-kuh-la-kuh-tah] - un mot en langue isiZulu signifiant « grand patron ». MeerKAT étudie aussi sa galaxie source avec la raie à 21 cm de l'hydrogènehydrogène atomique et en combinant ces deux signaux, les astrophysiciens vont en apprendre plus sur la galaxie qui héberge ce mégamaser et, in fine, l'évolution des galaxies dans le cosmoscosmos observable.