Cartographier le ciel radio : Une nouvelle approche

Construire une carte du ciel radio est super important, surtout quand on veut repérer le signal d'émission de 21 cm de l'époque où l'univers était très jeune, appelée l'Époque de la Reionisation (EoR). Cette carte aide les scientifiques dans plein de domaines de recherche spatiale. Pour créer cette carte, on a utilisé des données d'une enquête radio appelée le LOFAR Two-meter Sky Survey (LoTSS) à 150 MHz. Grâce à ces données, on a compris à quel point différentes sources radio sont brillantes, incluant divers types de galaxies radio et de Noyaux Galactiques Actifs.

On a mis à jour un programme informatique appelé le Tiered Radio Extragalactic Continuum Simulation (T-RECS) pour faire de meilleurs catalogues de sources radio fictives. Les comptages de sources fictives de notre travail mis à jour correspondaient mieux à ce qu'on voit vraiment dans le ciel, surtout pour les galaxies lointaines. On a aussi remarqué que notre modèle prédisait moins de sources faibles que T-RECS, ce qui pourrait être utile pour étudier les signaux dans la bande de basse fréquence du spectre radio.

Concernant les cartes d'intensité de la ligne d'émission de 21 cm à un décalage vers le rouge d'environ 6 et au-delà, elles fournissent une façon unique d'observer ce qui se passait dans l'univers pendant l'Époque de la Reionisation. Cependant, un petit souci se pose car les signaux qu'on veut détecter se mélangent avec des ondes radio de fond indésirables, venant de notre propre Voie Lactée et d'autres sources qui ne sont pas exactement ce qu'on cherche.

Ces sources indésirables peuvent être classées en deux grands types : les Noyaux Galactiques Actifs (AGN) et les Galaxies de Formation Stellaire (SFG). Les sources non-AGN produisent des ondes radio à cause de trucs comme des explosions de supernova ou des nuages de gaz. Les AGN, quant à eux, se nourrissent de gaz et en même temps, ils émettent aussi des ondes radio. Les AGN peuvent être bruyants ou timides, et on les appelle les types radio-bruyants (RL) et radio-calmes (RQ).

Les AGN radio-bruyants produisent la plupart de leurs signaux radio à travers des jets puissants de particules. Selon leur apparence et leur comportement, on peut encore les diviser en Galaxies radio à haute excitation (HERG) et Galaxies Radio à Basse Excitation (LERG). Pour les AGN radio-calmes, l'origine de leurs signaux radio n'est pas très claire.

Simuler le ciel radio est un outil pratique pour les astronomes. Par exemple, ça les aide à comprendre à quel point leurs enquêtes radio sont complètes et à prédire quels types de sources radio ils pourraient voir dans de futures enquêtes. En ce qui concerne la recherche sur la reionisation, ça leur permet d'estimer le bruit de fond qui pourrait obscurcir le signal de 21 cm qu'ils veulent étudier.

Le modèle T-RECS est conçu pour simuler les deux principaux types de galaxies radio : AGN et SFG. Il prend en compte des choses comme la brillance des galaxies à différentes distances et leurs propriétés de regroupement. Cependant, comme T-RECS obtient ses données principalement à des fréquences plus élevées, cela peut causer des lacunes lorsqu'il s'agit de comprendre ce qui se passe à des fréquences plus basses.

Ces dernières années, il y a eu plein de nouvelles enquêtes radio à basse fréquence, ce qui nous a donné plus d'infos que jamais. Une des enquêtes les plus étendues a été réalisée par LOFAR, qui a identifié environ 80,000 sources radio et les a classées en HERG, LERG, RQ-AGN et SFG.

Comparé à T-RECS, le nouveau catalogue offre plus de variété en incluant les RQ-AGN et des sources supplémentaires à des distances plus élevées. Ça aide à éliminer les différences qu'on a vues à ces grandes distances.

Le Square Kilometre Array (SKA) est en cours de construction et fournira même de meilleures observations en radioastronomie. Ça veut dire qu'on doit bien régler nos simulations pour se préparer à ce que le SKA va détecter et comment gérer les défis pour obtenir le signal EoR.

Dans ce travail, on présente un nouvel angle sur comment classifier les sources radio et leurs modèles d'évolution. On décompose ça en sections, en commençant par comment on a choisi nos données, suivi de nos modèles pour les AGN et SFG, et une comparaison de nos résultats avec ce qui a déjà été observé.

Comme les ondes radio ne se soucient pas de la poussière, utiliser des enquêtes radio profondes nous donne une vue claire des galaxies et des AGN. Basé sur la profonde enquête LOFAR à 150 MHz sur trois régions du ciel, qui a pris beaucoup de temps de télescope, on a créé un catalogue de 81,951 sources. Ensuite, on a classé ces sources en différentes catégories selon leurs niveaux de brillance et leurs caractéristiques.

Pour les sources avec de faibles ondes radio, on a déterminé si c'était des SFG ou des RQ-AGN en fonction de leurs spectres radio. Les sources à fort flux radio ont été séparées en LERG et HERG. On a fait ça en comparant les résultats de divers codes conçus pour comprendre comment l'énergie se répartit à travers différentes longueurs d'onde pour chaque source. Ça nous a aidés à assigner des taux de formation d’étoiles et des masses de manière efficace.

Les sources radio se composent principalement d'AGN et de SFG, rendant notre nouveau catalogue parfait pour simuler les sources de fond pour le signal de 21 cm. Pour affiner notre sélection, on a cherché des sources dans des plages de décalage rouge spécifiques et une limite de densité de flux sur laquelle on pouvait compter. Ça nous a aidés à identifier un total de sources tout en filtrant celles qui ne correspondaient pas à nos critères.

Ensuite, on décrit nos modèles pour comprendre les fonctions de luminosité. Ces fonctions décrivent à quel point différents types de galaxies radio sont brillantes et comment cette brillance évolue dans le temps. On a ajusté ces fonctions en se basant sur ce qu'on a appris de nos données de catalogue, en utilisant une méthode connue sous le nom de Monte Carlo Markov Chain pour obtenir une plage de probabilités pour ces mesures.

On a établi nos fonctions de luminosité pour HERG et LERG en fonction de la façon dont leurs caractéristiques évoluent avec le décalage rouge. Ça inclut la mise à jour de valeurs pour représenter comment ces fonctions ont évolué dans le temps.

Les RQ-AGN montrent des signes d'activité à travers diverses longueurs d'onde, mais ils manquent des jets radio puissants typiques des types radio-bruyants. Les sources exactes de leurs émissions radio sont encore en débat. Cependant, il semble que la formation d'étoiles et un noyau central pourraient jouer un rôle dans la production d'émissions radio.

On a aussi estimé le taux de formation d'étoiles pour toutes les sources. Pour les RQ-AGN et SFG, on utilise une relation entre leur luminosité radio et leur taux de formation d'étoiles. Pour les HERG et LERG, on a noté un excès radio supplémentaire qu'on a pris en compte lors du calcul du taux de formation d'étoiles global.

Un autre aspect qu'on a examiné est l'indice spectral, qui décrit comment la fréquence des ondes radio se rapporte les unes aux autres. On a trouvé que les distributions d'indices spectraux pour les AGN et les SFG avaient des motifs cohérents, qu'on a utilisés pour calculer les indices spectraux de nos sources.

En résumant les résultats de notre modèle, on a rigoureusement comparé nos prédictions aux observations existantes et à d'autres simulations pour justifier notre travail. On s'est particulièrement concentré sur la façon dont nos résultats correspondaient aux sources réelles qu'on s'attend à voir dans le ciel.

En gros, nos simulations et modèles nous ont rapprochés de la compréhension du mélange des sources radio dans l'univers. On a découvert que nos méthodes offrent un meilleur accord avec les données réelles, ce qui pourrait aider dans les futures études du ciel radio.

On a même rendu notre code T-RECS modifié disponible pour les autres dans la communauté de recherche. Ça veut dire qu'en explorant plus le ciel des sources radio à basse fréquence, on fournit des outils pour que d'autres rejoignent la chasse.

Avec un peu d'humour, se balader dans l'univers en observant tous ces fascinants signaux radio, c'est comme essayer de chasser des papillons avec un filet en spaghetti- c'est un défi mais tellement gratifiant quand on finit par attraper quelques-uns !