Un laser radio vieux de 8 milliards d'années, amplifié par une galaxie invisible agissant comme une loupe géante. Un signal si rare que les chercheurs parlent déjà d'une nouvelle catégorie cosmique : le gigamaser.
Des astronomes ont détecté le laser spatial le plus distant et le plus brillant jamais observé, un signal radio né d'une collision entre deux galaxies survenue lorsque l'univers avait la moitié de son âge actuel. Le système à l'origine de cette émission porte un nom de catalogue austère, HATLAS J142935.3–002836, mais le phénomène qu'il recèle est, selon l'équipe de recherche, tout sauf ordinaire.
Le signal a été repéré dans les données du radiotélescope MeerKAT, installé en Afrique du Sud et composé de 64 antennes reliées entre elles. Sa confirmation n'a demandé que quelques heures d'observation. Il se situe à un redshift de 1,027, soit plus de 8 milliards d'années-lumière en temps de parcours de la lumière : les ondes ont donc été émises bien avant l'existence de la Terre.
Leur longueur d'onde, environ 18 centimètres, est la signature caractéristique de l'hydroxyle, une molécule simple composée d'oxygène et d'hydrogène qui peuple de vastes nuages de gaz.
Dans certaines conditions, cette molécule amplifie le rayonnement à une fréquence précise, un peu comme un laser mais dans le domaine radio : c'est ce qu'on appelle un maser. Lorsque le phénomène devient assez puissant pour être repéré dans d'autres galaxies, on parle de megamaser hydroxyle.
Ici, l'intensité mesurée près des deux raies habituelles, 1667 et 1665 MHz, a poussé l'équipe à proposer un palier supplémentaire de classification : le gigamaser. Thato Manamela, chercheuse à l'université de Pretoria qui dirige l'équipe à l'origine de la découverte, a résumé l'ampleur du phénomène : « Ce système est véritablement extraordinaire. Nous assistons à l’équivalent radio d’un laser, situé à mi-chemin à travers l’univers. »
Une galaxie d'avant-plan agit comme une loupe
Un tel signal n'aurait normalement pas dû parvenir jusqu'à nous avec une telle brillance. L'explication tient à une galaxie, sans lien avec le système en fusion, positionnée presque parfaitement sur la même ligne de visée. Sa gravité courbe l'espace-temps et concentre la lumière d'arrière-plan vers la Terre, un effet de lentille gravitationnelle qui ne crée aucune lumière nouvelle mais en redirige davantage vers l'observateur.
Des images prises en 2014 par le télescope spatial Hubble et par l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array avaient déjà révélé un anneau d'Einstein partiel autour de ce système, trace visible de cette déformation.
Manamela a détaillé le mécanisme dans des propos rapportés par Space.com : « Le signal provient d’une galaxie située à un décalage vers le rouge élevé et est fortement amplifié par effet de lentille gravitationnelle. Cette amplification facilite la détection de l’émission et nous permet d’étudier un système qui, autrement, serait trop ténu pour être observé. »
L'équipe précise toutefois que le terme gigamaser désigne la puissance observée, amplifiée par la lentille, et non la puissance intrinsèque du système en fusion.
Cette fusion galactique n'est pas un détail accessoire. Les megamasers hydroxyle les plus brillants se trouvent généralement dans des zones de collision, là où le gaz devient dense et chaotique. Des études antérieures sur ce même système suggèrent un taux de formation d'étoiles très élevé, cohérent avec une fusion qui convertit rapidement son gaz en nouvelles étoiles, un terrain propice à l'amplification de l'hydroxyle même avant tout effet de lentille.
Le même jeu de données contient par ailleurs une raie d'absorption distincte provenant de l'hydrogène neutre, un autre traceur de gaz courant, signe que le système renferme plusieurs couches de matière au-delà du seul gaz moléculaire. La recherche, menée par des chercheurs du South African Radio Astronomy Observatory, a été acceptée pour publication dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters et circule déjà en prépublication sur arXiv.
Manamela voit dans la rapidité de cette détection, obtenue en quelques heures seulement, la preuve que des relevés à plus grande échelle pourraient en révéler bien d'autres. « Nous ne voulons pas trouver un seul système… nous voulons en trouver des centaines, voire des milliers. », a-t-elle déclaré.