Cette vue en champ profond du ciel (au centre) prise par les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer de la NASA est dominée par les galaxies - dont certaines très faibles, très éloignés - entourés de rouge. L'encart en bas à droite montre la lumière collectée par l'une de ces galaxies lors d'une observation de longue durée. Crédit :NASA/JPL-Caltech/ESA/Spitzer/P. Oesch/S. De Barros/I.Labbe
Le télescope spatial Spitzer de la NASA a révélé que certaines des premières galaxies de l'univers étaient plus brillantes que prévu. L'excès de lumière est un sous-produit des galaxies libérant des quantités incroyablement élevées de rayonnement ionisant. La découverte offre des indices sur la cause de l'époque de la réionisation, un événement cosmique majeur qui a transformé l'univers d'être principalement opaque au brillant paysage stellaire vu aujourd'hui.
Dans une nouvelle étude, les chercheurs rapportent les observations de certaines des premières galaxies à se former dans l'univers, moins d'un milliard d'années après le big bang (ou il y a un peu plus de 13 milliards d'années). Les données montrent que dans quelques longueurs d'onde spécifiques de la lumière infrarouge, les galaxies sont considérablement plus brillantes que les scientifiques ne l'avaient prévu. L'étude est la première à confirmer ce phénomène pour un large échantillon de galaxies de cette période, montrant qu'il ne s'agissait pas de cas particuliers de luminosité excessive, mais que même les galaxies moyennes présentes à cette époque étaient beaucoup plus brillantes dans ces longueurs d'onde que les galaxies que nous voyons aujourd'hui.
Personne ne sait avec certitude quand les premières étoiles de notre univers ont pris vie. Mais les preuves suggèrent qu'entre environ 100 millions et 200 millions d'années après le big bang, l'univers était principalement rempli d'hydrogène gazeux neutre qui venait peut-être de commencer à fusionner en étoiles, qui ont alors commencé à former les premières galaxies. Environ 1 milliard d'années après le big bang, l'univers était devenu un firmament étincelant. Quelque chose d'autre avait changé, aussi :les électrons de l'hydrogène gazeux neutre omniprésent ont été éliminés dans un processus connu sous le nom d'ionisation. L'époque de la réionisation – le passage d'un univers rempli d'hydrogène neutre à un univers rempli d'hydrogène ionisé – est bien documentée.
Avant cette transformation à l'échelle de l'univers, formes de lumière à grande longueur d'onde, comme les ondes radio et la lumière visible, parcouru l'univers plus ou moins sans encombre. Mais les longueurs d'onde plus courtes de la lumière, y compris la lumière ultraviolette, Les rayons X et les rayons gamma ont été arrêtés net par des atomes d'hydrogène neutres. Ces collisions priveraient les atomes d'hydrogène neutres de leurs électrons, en les ionisant.
Mais qu'est-ce qui aurait pu produire suffisamment de rayonnement ionisant pour affecter tout l'hydrogène de l'univers ? Était-ce des étoiles individuelles ? Galaxies géantes ? Si l'un ou l'autre était le coupable, ces premiers colonisateurs cosmiques auraient été différents de la plupart des étoiles et galaxies modernes, qui ne libèrent généralement pas de grandes quantités de rayonnements ionisants. Puis encore, peut-être que quelque chose d'autre a entièrement causé l'événement, comme les quasars – des galaxies avec des centres incroyablement brillants alimentés par d'énormes quantités de matière en orbite autour de trous noirs supermassifs.
"C'est l'une des plus grandes questions ouvertes en cosmologie observationnelle, " a déclaré Stéphane De Barros, auteur principal de l'étude et chercheur postdoctoral à l'Université de Genève en Suisse. "Nous savons que c'est arrivé, mais qu'est-ce qui l'a causé ? Ces nouvelles découvertes pourraient être un indice important."
L'illustration de cet artiste montre à quoi aurait pu ressembler l'une des toutes premières galaxies de l'univers. Des niveaux élevés de formation d'étoiles violentes et de mort d'étoiles auraient illuminé le gaz remplissant l'espace entre les étoiles, rendant la galaxie largement opaque et sans structure claire. Crédit :James Josephides (Swinburne Astronomy Productions)
À la recherche de la lumière
Pour remonter le temps à l'époque juste avant la fin de l'époque de la réionisation, Spitzer a regardé deux régions du ciel pendant plus de 200 heures chacune, permettant au télescope spatial de collecter la lumière qui avait voyagé pendant plus de 13 milliards d'années pour nous parvenir.
Comme certaines des observations scientifiques les plus longues jamais réalisées par Spitzer, ils faisaient partie d'une campagne d'observation appelée GREATS, abréviation de GOODS Re-ionization Era Wide-Area Treasury de Spitzer. GOODS (lui-même acronyme :Great Observatories Origins Deep Survey) est une autre campagne qui a réalisé les premières observations de certaines cibles GREATS. L'étude, publié dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society , a également utilisé des données d'archives du télescope spatial Hubble de la NASA.
En utilisant ces observations ultra-profondes de Spitzer, l'équipe d'astronomes a observé 135 galaxies lointaines et a découvert qu'elles étaient toutes particulièrement brillantes dans deux longueurs d'onde spécifiques de la lumière infrarouge produite par le rayonnement ionisant interagissant avec les gaz d'hydrogène et d'oxygène dans les galaxies. Cela implique que ces galaxies étaient dominées par des jeunes, étoiles massives composées principalement d'hydrogène et d'hélium. Ils contiennent de très petites quantités d'éléments "lourds" (comme l'azote, carbone et oxygène) par rapport aux étoiles trouvées dans les galaxies modernes moyennes.
Ces étoiles n'étaient pas les premières étoiles à se former dans l'univers (celles-ci auraient été composées uniquement d'hydrogène et d'hélium) mais faisaient toujours partie d'une toute première génération d'étoiles. L'époque de la réionisation n'était pas un événement instantané, ainsi, alors que les nouveaux résultats ne suffisent pas à fermer le livre sur cet événement cosmique, ils fournissent de nouveaux détails sur la façon dont l'univers a évolué à cette époque et sur la façon dont la transition s'est déroulée.
"Nous ne nous attendions pas à ce que Spitzer, avec un miroir pas plus grand qu'un Hula-Hoop, serait capable de voir des galaxies si près de la nuit des temps, " a déclaré Michael Werner, Le scientifique du projet de Spitzer au Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, Californie. "Mais la nature est pleine de surprises, et l'éclat inattendu de ces premières galaxies, avec la superbe performance de Spitzer, les met à portée de notre petit mais puissant observatoire."
Le télescope spatial James Webb de la NASA, lancement prévu en 2021, étudiera l'univers dans plusieurs des mêmes longueurs d'onde observées par Spitzer. Mais là où le miroir principal de Spitzer n'a que 85 centimètres (33,4 pouces) de diamètre, Celle de Webb mesure 6,5 mètres (21 pieds) - environ 7,5 fois plus grande - ce qui permet à Webb d'étudier ces galaxies de manière beaucoup plus détaillée. En réalité, Webb tentera de détecter la lumière des premières étoiles et galaxies de l'univers. La nouvelle étude montre qu'en raison de leur luminosité dans ces longueurs d'onde infrarouges, les galaxies observées par Spitzer seront plus faciles à étudier pour Webb qu'on ne le pensait auparavant.
"Ces résultats de Spitzer sont certainement une autre étape dans la résolution du mystère de la réionisation cosmique, " a déclaré Pascal Oesch, professeur assistant à l'Université de Genève et co-auteur de l'étude. "Nous savons maintenant que les conditions physiques dans ces premières galaxies étaient très différentes de celles des galaxies typiques d'aujourd'hui. Ce sera le travail du télescope spatial James Webb d'en déterminer les raisons détaillées."
