Comment le professeur NU Wen-fai Fong a résolu les plus grands mystères de l’univers

La professeure Wen-fai Fong se tient dans son bureau du campus d’Evanston de la Northwestern University. Photo gracieuseté de Christian Elliott.

Assise dans chaque bureau du dernier étage surplombant le lac Michigan à Evanston, Wen-fai Fong sort son téléphone et lit un texte crypté : « (Swift1075565) 13:09:36.41, 48:37:42.24; Erreur : 0,06 minute d’arc ; Âge : 4 mois ; 1, b : 115,+68,2. »

Spam inutile ? négatif. Pour Fong, professeur adjoint d’astrophysique et d’astronomie à Northwestern, c’est un message riche en informations qui l’oblige à tout laisser tomber.

L’alerte textuelle du satellite Swift de la NASA signifie que l’observatoire orbital a détecté un “sursaut de rayons gamma” – une explosion de rayonnement provenant d’une galaxie lointaine.

Elle scanne rapidement le texte, qui comprend un “numéro de déclenchement” qui identifie le sursaut, des coordonnées célestes qui indiquent son origine dans le ciel, la précision de la détection en minutes d’arc (une unité de mesure pour les très petits angles) et l’âge de l’éclatement.

« Vous ne pouvez pas voir [a gamma ray burst] sans télescope, car il vient de très loin », a déclaré Fong. “Mais c’est comme une seule nouvelle étoile dans le ciel.” La rafale est incroyablement brillante pour les instruments capables de détecter un rayonnement gamma invisible.

“Si vous aviez des yeux à rayons gamma, cela éclairerait le ciel”, a déclaré Fong.

L’étude des rayons gamma permet au laboratoire de Fong du Centre interdisciplinaire d’exploration et de recherche en astrophysique (CIERA) de Northwestern de répondre à certaines des plus grandes questions scientifiques sur les origines de l’univers. Alors que ces explosions fugaces de rayonnement atteignent la Terre, les astronomes au bon endroit et au bon moment peuvent glaner des informations sur l’origine des éléments lourds de l’univers.

“C’est une question fondamentale pour l’humanité de savoir d’où viennent les métaux de votre montre, de votre voiture ou de votre ordinateur”, a déclaré Fong. “En astronomie, si nous comprenons quand des éléments lourds sont créés dans l’univers, nous pouvons commencer à comprendre comment les étoiles et les galaxies se forment au cours du temps cosmique et l’enrichissement chimique de l’univers dans son ensemble.”

Il y a à peine cinq ans, les astronomes gamma ont fait une découverte majeure : ils ont attribué les sursauts aux collisions d’étoiles à neutrons. Les étoiles à neutrons sont les noyaux denses et massifs d’étoiles mortes qui ont atteint la fin de leur durée de vie d’un milliard d’années et sont mortes dans une supernova explosive.

Lorsque des étoiles à neutrons en orbite entrent en collision, les pressions et les concentrations de neutrons sont si élevées que les éléments les plus lourds de l’univers peuvent se former : l’argent, l’or, le platine et l’uranium. Les fusions d’étoiles à neutrons peuvent être le seul moyen de produire ces éléments dans l’univers, et les sursauts gamma sont un moyen essentiel pour les scientifiques d’en savoir plus à leur sujet.

Fong s’intéresse particulièrement aux courtes rafales de rayonnement gamma hautement énergétique d’une durée de deux secondes ou moins. Lorsque des sursauts détectables se produisent – environ dix fois par an – l’équipe de base de sept personnes de Fong, composée de boursiers postdoctoraux et d’étudiants diplômés, se précipite vers une salle d’écrans d’ordinateur au CIERA pour déclencher des observations.

Cela signifie réquisitionner à distance des télescopes au sommet d’une montagne comme l’observatoire du télescope à miroirs multiples en Arizona et diriger les opérateurs là-bas afin qu’ils puissent capturer d’anciennes rafales d’énergie arrivant précisément à ce moment-là. C’est une période de ce que Fong appelle “l’activité frénétique” au laboratoire.

“Ce serait vraiment bien si nous avions un système d’alerte précoce”, a déclaré Fong. “Ces choses ont voyagé pendant des milliards d’années pour nous atteindre et puis tout à coup nous n’avons aucun préavis.”

Le mystère des rayons gamma

Lorsque Fong a commencé un doctorat. programme d’astronomie et d’astrophysique à l’Université de Harvard il y a dix ans, personne ne savait ce qui provoquait les sursauts gamma. Ce mystère l’a attirée vers l’étude des transitoires explosifs, qui sont des éclats fugaces de rayonnement provenant de “tout ce qui explose, ou entre en collision, ou fait des choses folles dans l’univers, et des choses qui sont cataclysmiques”, a déclaré Fong.

“Pointez-moi vers une explosion, et je veux découvrir ce qui la cause”, a-t-elle ajouté.

Les satellites de détection de guerre nucléaire de l’armée américaine contrôlés par le Laboratoire national de Los Alamos au Nouveau-Mexique ont détecté les sursauts gamma pour la première fois en 1960, mais ce n’est qu’en 2017 – lorsque Fong était boursier postdoctoral Hubble à Northwestern – qu’une nouvelle installation à Caltech a résolu le mystère de leur origine.

Il a détecté des ondes gravitationnelles, des ondulations dans l’espace et dans le temps produites par la collision de deux étoiles à neutrons, dans une galaxie lointaine. Deux secondes plus tard, le télescope spatial à rayons gamma Fermi a vu un rayon gamma jaillir de son perchoir en orbite terrestre basse – preuve concluante que ces sursauts résultent de kilonovae, ou fusions d’étoiles à neutrons. Mais des mystères demeurent.

“Nous ne savons toujours pas grand-chose sur les causes de la fusion de deux étoiles à neutrons et de quels types d’environnements elles proviennent”, a déclaré Fong. “Chaque fois que nous voyons un sursaut gamma, nous en apprenons davantage sur ce type particulier de système.”

Après qu’une courte rafale de rayons gamma se soit rapidement dissipée, l’équipe de Fong observe la rémanence de la rafale – d’autres longueurs d’onde de rayonnement électromagnétique (rayons X, ondes radio ou lumière visible) qui atteignent la Terre dans les heures ou les jours suivants. Ils reçoivent sur demande un accès « cible d’opportunité » aux télescopes distants par le biais de comités d’attribution qui choisissent qui y a accès et quand – c’est une ressource rare.

Le défi consiste à obtenir le plus rapidement possible autant de données provenant d’autant de longueurs d’onde que possible, en fonction des télescopes disponibles.

La prochaine étape : l’investigation galactique. Fong et ses étudiants détectives exploitent les données à la recherche d’indices pour comprendre l’âge des étoiles à neutrons, leurs galaxies hôtes et les étoiles proches. Ils s’appuient sur la spectroscopie infrarouge, une technique qui divise le rayonnement entrant en un spectre de ses longueurs d’onde composantes. Lorsqu’elles sont cartographiées, les longueurs d’onde correspondent précisément à différents éléments. En utilisant les longueurs d’onde cartographiées, les scientifiques peuvent prouver les compositions des éléments lourds produits par les collisions d’étoiles à neutrons.

Un avenir plus diversifié pour l’astronomie

Fong a grandi dans une famille axée sur la science à Rochester, New York. Son père, médecin, et sa mère, manager chez Xerox, ont émigré de Hong Kong dans les années 1970. L’une de ses sœurs aînées est médecin et l’autre neuroscientifique.

“J’ai l’impression d’être un peu le cheval noir de la famille à cause de l’astronomie”, a déclaré Fong.

Grandir dans les années 1990 avec une mère qui travaillait de longues heures dans une entreprise de technologie et voyageait fréquemment a façonné ses aspirations d’enfance.

En huitième année, elle s’est vu confier un projet scientifique d’astronomie cartographiant les phases de la lune pendant un mois. Elle se souvient avec émotion s’être assise dans son allée chaque nuit en regardant les étoiles et en esquissant la lune dans son carnet.

Au lycée et à l’université du Massachusetts Institute of Technology, elle s’est tournée vers la biologie et la physique, puis elle a décidé de poursuivre un doctorat. en astronomie. Après deux postes postdoctoraux, elle a décroché son emploi actuel chez Northwestern.

Parmi les laboratoires d’astronomie, la composition du CIERA est rare – les principaux chercheurs de Fong sont tous des femmes.

“Voir un groupe de soutien de femmes chercheuses fantastiques est probablement excitant”, a déclaré Fong aux futurs étudiants diplômés. “C’est une boucle de rétroaction, je pense.”

Elle note que son premier mentor en astronomie était également une femme. Pourtant, elle reconnaît que les femmes restent sous-représentées dans le domaine. Selon un rapport décennal publié en novembre dernier, au doctorat. niveau, seulement 30% des professeurs adjoints récemment embauchés sont des femmes aujourd’hui, contre 20% en 2003. Les Américains d’origine asiatique, comme Fong, ne représentent que 5% de tous les professeurs d’astronomie.

“J’essaie de créer cet environnement collaboratif parce que les étudiants ne voudront pas se lever au milieu de la nuit à moins que vous ne donniez l’exemple, à moins que vous ne soyez là avec eux”, a déclaré Fong.

Au collège de l’Université du Connecticut, Jillian Rastinejad, étudiante diplômée du CIERA, n’avait que des hommes professeurs de physique.

“Mes deux premières années, j’ai vraiment eu du mal”, a-t-elle déclaré. “C’était en grande partie le syndrome de l’imposteur. Ma première année, j’ai suivi mon premier cours d’astronomie et j’ai eu ma première femme professeur, et elle m’a fait croire que je pouvais le faire.

Maintenant, elle est en troisième année de doctorat. étudiant au CIERA.

Cette année, Rastinejad a encadré une lycéenne d’Evanston dans le cadre du programme Research Experiences in Astronomy de CIERA. Elle a enseigné aux élèves les bases du codage et de l’astronomie – des choses que Rastinejad note qu’elle n’a pas pu étudier à cet âge. Elle a également lancé une conférence virtuelle intitulée Data Science for Public Good pour 40 lycées du monde entier.

Anya Nugent, doctorante en quatrième année. étudiante au CIERA, se souvient d’avoir été l’une des rares femmes astronomes et étudiantes en physique à l’université. L’équipe de Fong était l’une des principales raisons pour lesquelles elle a choisi d’étudier à Northwestern.

“Une fois que vous avez un groupe de personnes qui comprennent d’où vous venez et qui ont probablement traversé les mêmes difficultés que vous avez traversées, cela aide vraiment à créer un sentiment de communauté et je me sens plus confiant dans mes recherches”, a déclaré Nugent. .

Un nouvel oeil dans le ciel

Après des années de retard, le 1 décembre. Le 25 janvier 2021, la NASA a lancé le télescope spatial James Webb de 10 milliards de dollars à près d’un million de kilomètres de la Terre. De son point de vue en orbite autour du soleil, le nouveau télescope de 70 pieds de long devrait être capable de détecter la lumière des premières étoiles de l’univers, vieilles d’environ 14 milliards d’années.

Lorsque Fong a travaillé comme boursière postdoctorale à l’Observatoire Steward de l’Université de l’Arizona en 2014, elle connaissait les membres de l’équipe de construction d’instruments pour le projet.

“En tant que communauté d’astronomes, je n’ai jamais vu d’autre satellite que tout le monde attend avec autant d’impatience de lancer”, a-t-elle déclaré.

La sensibilité anormale du télescope James Webb et les capteurs proches de l’infrarouge permettront à l’équipe de Fong de voir plus longtemps les sursauts gamma plus faibles et d’améliorer la spectroscopie infrarouge des fusions d’étoiles à neutrons, ou kilonovae, qui les provoquent.

À l’heure actuelle, l’identification des éléments produits par les kilonovae repose en grande partie sur la modélisation informatique. Fong appelle cela une “question du Saint Graal” à laquelle le télescope pourrait mieux répondre pour son domaine.

“James Webb est capable de regarder très, très profondément dans le ciel, à des profondeurs que même le télescope spatial Hubble n’est pas capable d’atteindre”, a déclaré Rastinejad. “Cela nous permettra de voir des parties de kilonovae que nous ne pouvions tout simplement pas observer auparavant.”

Ensuite, Fong tournera son objectif de détective vers un nouveau mystère de sursauts radio rapides – des sursauts transitoires répétés à faible énergie moins compris à l’extrémité opposée du spectre électromagnétique des rayons gamma. Les théories actuelles attribuent ces mystérieux signaux radio à des étoiles à neutrons uniques, à des collisions de trous noirs et même à des transmissions de vaisseaux extraterrestres.

“Les sursauts radio rapides sont ce que les sursauts gamma étaient il y a dix ans”, a déclaré Fong.

Le télescope James Webb permettra à l’équipe de Fong de mieux caractériser les galaxies hôtes des sursauts radio rapides et potentiellement de résoudre le mystère de leur origine.

Elle était également heureuse de voir son domaine mis en évidence comme une direction majeure pour l’astronomie dans l’enquête décennale.

“L’astrophysique dans le domaine temporel, les phénomènes dont la luminosité change avec le temps, comme les sursauts gamma et les sursauts radio rapides, sont des priorités absolues”, a-t-elle déclaré. «Ils ont également fait des recommandations pour augmenter le financement des subventions aux chercheurs par le biais de la NSF, ce qui serait formidable pour soutenir des groupes comme le mien. Dans l’ensemble, c’est un résultat fantastique pour le domaine dans lequel je suis.

Vignette avec l’aimable autorisation de Christian Elliott.

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