Peu de temps après le Big Bang, les premières générations d'étoiles ont commencé à altérer la composition chimique des galaxies primitives, enrichir lentement le milieu interstellaire en éléments basiques tels que l'oxygène, carbone, et l'azote. Trouver les premières traces de ces éléments communs apporterait un éclairage important sur l'évolution chimique des galaxies, y compris le nôtre.

De nouvelles observations avec l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) révèlent la faible, signature révélatrice de l'oxygène provenant d'une galaxie à une distance record de 13,28 milliards d'années-lumière de la Terre, ce qui signifie que nous observons cet objet tel qu'il est apparu lorsque l'univers n'avait que 500 millions d'années, ou moins de 4 pour cent de son âge actuel.

Pour une si jeune galaxie, connu sous le nom de MACS1149-JD1, contenir des traces détectables d'oxygène, il a dû commencer à forger des étoiles encore plus tôt :à peine 250 millions d'années après le Big Bang. Ceci est exceptionnellement tôt dans l'histoire de l'univers et suggère que les environnements chimiques riches ont évolué rapidement.

"J'étais ravi de voir le signal de l'oxygène le plus éloigné, " explique Takuya Hashimoto, l'auteur principal de l'article de recherche publié dans la revue La nature et chercheur à l'Université d'Osaka Sangyo et à l'Observatoire astronomique national du Japon.

"Cette extrêmement lointaine, galaxie extrêmement jeune a une maturité chimique remarquable, " a déclaré Wei Zheng, astronome à l'Université Johns Hopkins de Baltimore, qui a mené la découverte de cette galaxie avec le télescope spatial Hubble et estimé sa distance. Il est également membre de l'équipe de recherche ALMA. "Il est vraiment remarquable qu'ALMA ait détecté une raie d'émission - l'empreinte d'un élément particulier - à une distance aussi record."

Après le Big Bang, la composition chimique de l'univers était fortement limitée, sans même une trace d'éléments comme l'oxygène. Il faudrait plusieurs générations de naissances d'étoiles et de supernovas pour ensemencer le jeune cosmos avec des quantités détectables d'oxygène, carbone, et d'autres éléments forgés dans le cœur des étoiles.

Après avoir été libérés de leurs fours stellaires par les supernovas, ces atomes d'oxygène ont fait leur chemin dans l'espace interstellaire. Là, ils sont devenus surchauffés et ont été ionisés par la lumière et le rayonnement des étoiles massives. Ces chauds, les atomes ionisés "brillaient" alors brillamment dans la lumière infrarouge. Alors que cette lumière parcourait les vastes distances cosmiques jusqu'à la Terre, il s'est étiré par l'expansion de l'univers, se transformant finalement en une lumière de longueur d'onde millimétrique distincte qu'ALMA est spécialement conçue pour détecter et étudier.

En mesurant le changement précis de la longueur d'onde de cette lumière, de l'infrarouge au millimètre, l'équipe a déterminé que ce signal révélateur d'oxygène a parcouru 13,28 milliards d'années-lumière pour nous atteindre, ce qui en fait la signature d'oxygène la plus éloignée jamais détectée par un télescope. Cette estimation de distance a été confirmée par les observations d'hydrogène neutre dans la galaxie par le Very Large Telescope de l'Observatoire européen austral. Ces observations vérifient indépendamment que MACS1149-JD1 est la galaxie la plus éloignée avec une mesure de distance précise.

L'équipe a ensuite reconstitué l'histoire de la formation des étoiles dans la galaxie à l'aide de données infrarouges prises avec le télescope spatial NASA/ESA Hubble et le télescope spatial Spitzer de la NASA. La luminosité observée de la galaxie est bien expliquée par un modèle où le début de la formation d'étoiles remonte à il y a 250 millions d'années. The model indicates that the star formation became inactive after the first stars ignited. It was then revived at the epoch of the ALMA observations:500 million years after the Big Bang.

The astronomers suggest that the first burst of star formation blew the gas away from the galaxy, which would suppress the star formation for a time. The gas then fell back into the galaxy leading to the second burst of star formation. The massive newborn stars in the second burst ionized the oxygen between the stars; it is those emissions that have been detected with ALMA.

"The mature stellar population in MACS1149-JD1 implies that stars were forming back to even earlier times, beyond what we can currently see with our telescopes. This has very exciting implications for finding 'cosmic dawn' when the first galaxies emerged, " adds Nicolas Laporte, a researcher at University College London/Université de Toulouse and a member of the research team.

"I am sure that the future combination of ALMA and the James Webb Space Telescope will play an even greater role in our exploration of the first generation of stars and galaxies, " said Zheng.

ALMA has set the record for the most distant oxygen several times. En 2016, Akio Inoue at Osaka Sangyo University and his colleagues found the signal of oxygen at 13.1 billion light-years away with ALMA. Several months later, Nicolas Laporte of University College London used ALMA to detect oxygen at 13.2 billion light-years away. Maintenant, the two teams merged into one and achieved this new record. This reflects both the competitive and collaborative nature of forefront of scientific research.

"With this discovery we managed to reach the earliest phase of cosmic star formation history, " said Hashimoto. "We are eager to find oxygen in even farther parts of the universe and expand the horizon of human knowledge."

This research is presented in a paper "The onset of star formation 250 million years after the Big Bang, " by T. Hashimoto et al., to appear in the journal La nature .