Image en fausses couleurs d'une région de 2 degrés carrés du champ d'enquête LAGER, créé à partir d'images prises dans l'optique à 500 nm (bleu), dans le proche infrarouge à 920 nm (rouge), et dans un filtre à bande étroite centré à 964 nm (vert). Le dernier est sensible à l'émission alpha de Lyman d'hydrogène à z ~ 7. Les petites cases blanches indiquent les positions des 23 LAE découverts dans l'enquête. Les encarts détaillés (jaune) montrent deux des LAE les plus brillants; ils sont de 0,5 minutes d'arc de côté, et les cercles blancs ont un diamètre de 5 secondes d'arc. Crédit :Zhen-Ya Zheng (SHAO) &Junxian Wang (USTC).
Les astronomes qui étudient l'Univers lointain ont découvert que les petites galaxies stellaires étaient abondantes lorsque l'Univers n'avait que 800 millions d'années, quelques pour cent de son âge actuel. Les résultats suggèrent que les premières galaxies, qui a illuminé et ionisé l'Univers, formé à des époques encore plus anciennes.
Il y a longtemps, environ 300, 000 ans après le début de l'Univers (le Big Bang), l'Univers était sombre. Il n'y avait pas encore d'étoiles et de galaxies, et l'Univers était rempli d'hydrogène gazeux neutre. À un moment donné, les premières galaxies sont apparues, et leur rayonnement énergétique ionisait leur environnement, le gaz intergalactique, illuminer et transformer l'Univers.
Alors que cette transformation dramatique est connue pour s'être produite dans l'intervalle entre 300 millions d'années et 1 milliard d'années après le Big Bang, déterminer quand les premières galaxies se sont formées est un défi. Le gaz intergalactique, qui est initialement neutre, absorbe et diffuse fortement la lumière ultraviolette émise par les galaxies, les rendant difficiles à détecter.
Pour voir quand la transformation s'est produite, les astronomes adoptent une approche indirecte. En utilisant la démographie des petites galaxies stellaires pour déterminer quand le gaz intergalactique s'est ionisé, ils peuvent déduire quand les sources ionisantes, les premières galaxies, formé. Si les galaxies en formation d'étoiles, qui brillent à la lumière de la raie Lyman alpha de l'hydrogène, sont entourés d'hydrogène gazeux neutre, les photons alpha de Lyman sont facilement dispersés, un peu comme les phares dans le brouillard, obscurcissant les galaxies. Lorsque le gaz est ionisé, le brouillard se lève, et les galaxies sont plus faciles à détecter.
Une nouvelle étude adoptant cette approche a découvert 23 candidats galaxies émettrices de Lyman (LAE) qui étaient présentes 800 millions d'années après le Big Bang (à un décalage vers le rouge de z~7), le plus grand échantillon détecté à ce jour à cette époque. L'étude, " Galaxies Lyman-Alpha à l'époque de la réionisation " (LAGER), a été réalisée par une équipe internationale d'astronomes de Chine, les Etats Unis, et le Chili utilisant la caméra à énergie noire (DECam) sur le télescope CTIO 4 m Blanco.
Jalons de l'histoire de l'Univers (pas à l'échelle). Le gaz intergalactique était dans un état neutre d'environ 300, 000 ans après le Big Bang jusqu'à ce que la lumière de la première génération d'étoiles et de galaxies commence à l'ioniser. Le gaz a été complètement ionisé après 1 milliard d'années. L'étude LAGER examine de près l'état de l'Univers à 800 millions d'années (encadré jaune) pour déterminer quand et comment cette transformation s'est produite. Crédit :NAOJ.
Bien que l'étude ait détecté de nombreux LAE, il a également constaté que les LAE étaient 4 fois moins fréquents à 800 millions d'années qu'ils ne l'étaient peu de temps plus tard, à 1 milliard d'années (à un décalage vers le rouge de z~5,7). Les résultats impliquent que le processus d'ionisation de l'Univers a commencé tôt et était encore incomplet à 800 millions d'années, avec le gaz intergalactique environ à moitié neutre et à moitié ionisé à cette époque. Le faible taux d'incidence des LAE à 800 millions d'années résulte de la suppression de leur émission Lyman alpha par le gaz intergalactique neutre.
L'étude montre que "le brouillard se levait déjà lorsque l'univers avait 5% de son âge actuel", a expliqué Sangeeta Malhotra (Goddard Space Flight Center et Arizona State University), l'un des co-responsables de l'enquête.
Junxian Wang (USTC), l'organisateur de l'étude, expliqué plus en détail, "Notre découverte que le gaz intergalactique est ionisé à 50% à z ~ 7 implique qu'une grande partie des premières galaxies qui ont ionisé et illuminé l'univers se sont formées tôt, moins de 800 millions d'années après le Big Bang."
Pour Zhenya Zheng (Observatoire astronomique de Shanghai, CAS), l'auteur principal de l'article décrivant ces résultats, "800 millions d'années est la frontière actuelle dans les études de réionisation." Alors que des centaines de LAE ont été trouvés à des époques ultérieures, seulement environ deux douzaines de LAE candidats étaient connus à 800 millions d'années avant la présente étude. Les nouveaux résultats augmentent considérablement le nombre de LAE connus à cette époque.
"Aucune de cette science n'aurait été possible sans les capacités à large champ de DECam et de son pipeline communautaire pour la réduction des données, " a fait remarquer le coauteur James Rhoads. " Ces capacités permettent des relevés efficaces et ainsi la découverte de galaxies faibles ainsi que de galaxies rares, des brillants."
Pour s'appuyer sur ces résultats, l'équipe « poursuit la recherche de galaxies lointaines formant des étoiles sur un plus grand volume de l'Univers », a déclaré Leopoldo Infante (Université Pontificia Catolica du Chili et Carnegie Institution for Science), « pour étudier le regroupement des LAE ». Le clustering fournit des informations uniques sur la façon dont le brouillard se lève. L'équipe étudie également la nature de ces galaxies lointaines.
