Extrait d'un communiqué de presse de Caltech:
L'eau est vraiment partout. En regardant à une distance de 30 milliards de milliards de miles dans un quasar - l'un des objets les plus brillants et les plus violents du cosmos - les chercheurs ont trouvé une masse de vapeur d'eau qui est au moins 140 billions de fois celle de toute l'eau des océans du monde. combiné, et 100 000 fois plus massif que le soleil.
Parce que le quasar est si loin, sa lumière a mis 12 milliards d'années pour atteindre la Terre. Les observations révèlent donc une époque où l'univers n'avait que 1,6 milliard d'années. «L'environnement autour de ce quasar est unique en ce qu'il produit cette énorme masse d'eau», explique Matt Bradford, scientifique au Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA et associé invité à Caltech. "C’est une autre démonstration que l’eau est omniprésente dans l’univers, même aux tout premiers temps." Bradford dirige l'une des deux équipes internationales d'astronomes qui ont décrit leurs découvertes sur les quasars dans des articles distincts qui ont été acceptés pour publication dans Astrophysical Journal Letters.
Lisez l'article de Bradford & team ici.
Un quasar est alimenté par un énorme trou noir qui consomme régulièrement un disque environnant de gaz et de poussière; en mangeant, le quasar dégage d'énormes quantités d'énergie. Les deux groupes d'astronomes ont étudié un quasar particulier appelé APM 08279 + 5255, qui abrite un trou noir 20 milliards de fois plus massif que le soleil et produit autant d'énergie que mille trillions de soleils.
Comme les astronomes s'attendaient à ce que la vapeur d'eau soit présente même dans le premier univers, la découverte de l'eau n'est pas en soi une surprise, dit Bradford. Il y a de la vapeur d'eau dans la Voie lactée, bien que la quantité totale soit 4000 fois moins massive que dans le quasar, car la plupart de l'eau de la Voie lactée est gelée sous forme de glace.
Néanmoins, la vapeur d'eau est un gaz trace important qui révèle la nature du quasar. Dans ce quasar particulier, la vapeur d'eau est distribuée autour du trou noir dans une région gazeuse s'étendant sur des centaines d'années-lumière (une année-lumière est d'environ six billions de miles), et sa présence indique que le gaz est inhabituellement chaud et dense par les astronomes normes. Bien que le gaz soit froid –53 degrés Celsius (–63 degrés Fahrenheit) et soit 300 billions de fois moins dense que l'atmosphère terrestre, il est toujours cinq fois plus chaud et 10 à 100 fois plus dense que ce qui est typique dans des galaxies comme la Voie lactée.
La vapeur d'eau n'est qu'un des nombreux types de gaz qui entourent le quasar, et sa présence indique que le quasar baigne le gaz à la fois dans les rayons X et le rayonnement infrarouge. L'interaction entre le rayonnement et la vapeur d'eau révèle les propriétés du gaz et l'influence du quasar sur lui. Par exemple, l'analyse de la vapeur d'eau montre comment le rayonnement chauffe le reste du gaz. De plus, des mesures de la vapeur d'eau et d'autres molécules, comme le monoxyde de carbone, suggèrent qu'il y a suffisamment de gaz pour alimenter le trou noir jusqu'à ce qu'il atteigne environ six fois sa taille. Il n'est pas clair si cela se produira, disent les astronomes, car une partie du gaz peut finir par se condenser en étoiles ou être éjectée du quasar.
L'équipe de Bradford a fait ses observations à partir de 2008, en utilisant un instrument appelé Z-Spec au Caltech Submillimeter Observatory (CSO), un télescope de 10 mètres près du sommet du Mauna Kea à Hawaï. Z-Spec est un spectrographe extrêmement sensible, nécessitant des températures refroidies à 0,06 degré Celsius au-dessus du zéro absolu. L'instrument mesure la lumière dans une région du spectre électromagnétique appelée bande millimétrique, qui se situe entre les longueurs d'onde infrarouges et micro-ondes. La découverte de l'eau par les chercheurs n'a été possible que parce que la couverture spectrale de Z-Spec est 10 fois plus grande que celle des spectromètres précédents fonctionnant à ces longueurs d'onde. Les astronomes ont fait des observations de suivi avec le Combined Array for Research in Millimeter-Wave Astronomy (CARMA), un ensemble d'antennes paraboliques dans les montagnes d'Inyo en Californie du Sud.
Cette découverte met en évidence les avantages de l'observation aux longueurs d'onde millimétriques et submillimétriques, selon les astronomes. Le domaine s'est développé rapidement au cours des deux à trois dernières décennies, et pour atteindre le plein potentiel de cette ligne de recherche, les astronomes - y compris les auteurs de l'étude - conçoivent maintenant CCAT, un télescope de 25 mètres qui sera construit dans le désert d'Atacama au Chili. Le CCAT permettra aux astronomes de découvrir certaines des premières galaxies de l'univers. En mesurant la présence d'eau et d'autres gaz traces importants, les astronomes peuvent étudier la composition de ces galaxies primordiales.
Le deuxième groupe, dirigé par Dariusz Lis, associé de recherche principal en physique à Caltech et directeur adjoint du CSO, a utilisé l'interféromètre du Plateau de Bure dans les Alpes françaises pour trouver de l'eau. En 2010, l'équipe de Lis recherchait des traces de fluorure d'hydrogène dans le spectre de l'APM 08279 + 5255, mais a détecté par hasard un signal dans le spectre du quasar qui indiquait la présence d'eau. Le signal était à une fréquence correspondant au rayonnement émis lorsque l'eau passe d'un état d'énergie supérieure à un état inférieur. Alors que l'équipe de Lis n'a trouvé qu'un seul signal à une seule fréquence, la large bande passante de Z-Spec a permis à Bradford et à ses collègues de découvrir les émissions d'eau à plusieurs fréquences. Ces multiples transitions d'eau ont permis à l'équipe de Bradford de déterminer les caractéristiques physiques du gaz du quasar et la masse de l'eau.
