Les astronomes utilisant le télescope Mayall à l'observatoire national de Kitt Peak, un programme du Laboratoire national de recherche en astronomie optique-infrarouge de la NSF, ont identifié plusieurs bulles chevauchantes d'hydrogène gazeux ionisé par les étoiles dans les premières galaxies, à peine 680 millions d'années après le Big Bang. C'est la première preuve directe de la période où la première génération d'étoiles s'est formée et a commencé à réioniser l'hydrogène gazeux qui imprégnait l'univers.

Il y a eu une période au tout début de l'univers - connue sous le nom d'"âge des ténèbres cosmiques" - où les particules élémentaires, formé dans le Big Bang, s'étaient combinés pour former de l'hydrogène neutre, mais aucune étoile ou galaxie n'existait encore pour éclairer l'univers. Cette période a commencé moins d'un demi-million d'années après le Big Bang et s'est terminée avec la formation des premières étoiles. Alors que cette étape de l'évolution de notre univers est indiquée par des simulations informatiques, les preuves directes sont rares.

Maintenant, les astronomes utilisant l'imageur infrarouge NEWFIRM sur le télescope Mayall de 4 mètres de l'observatoire national de Kitt Peak du laboratoire national de recherche en astronomie optique-infrarouge de la NSF (OIR Lab), ont rapporté avoir photographié un groupe de galaxies, connu sous le nom d'EGS77, qui contient ces premières étoiles. BSE, ou la bande de croissance étendue, est une région imagée par HST en 2005; il correspond à une étroite bande de ciel de la largeur d'un doigt tenu à bout de bras. Il y en a au moins 50, 000 galaxies connues dans la bande. Leurs résultats ont été annoncés lors d'une conférence de presse tenue aujourd'hui lors de la 235e réunion de l'American Astronomical Society (AAS) à Honolulu, Hawaii.

"Le jeune univers était rempli d'atomes d'hydrogène, qui atténuent tellement la lumière ultraviolette qu'elles bloquent notre vision des premières galaxies, " a déclaré James Rhoads au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, qui a présenté les résultats lors de la conférence de presse de l'AAS. "EGS77 est le premier groupe de galaxies pris en train de dissiper ce brouillard cosmique."

L'équipe a commencé par une étude d'imagerie conçue pour détecter les galaxies à fort décalage vers le rouge et a combiné ces données avec des images correspondantes prises par le télescope spatial Hubble. Cela a permis à l'équipe de calculer ce qu'on appelle un redshift photométrique, un proxy pour estimer la distance. A ces redshifts, la lumière d'une galaxie est complètement déplacée hors de la plage de longueurs d'onde à laquelle l'œil humain est sensible (le spectre visible) vers des longueurs d'onde plus longues (infrarouges). Les critères de sélection des galaxies candidates lointaines comprenaient une détection claire de celles-ci dans les filtres infrarouges spéciaux à bande étroite utilisés avec NEWFIRM sur le télescope Mayall de 4 mètres et une non-détection complète dans les bandes de filtres optiques à plus courte longueur d'onde utilisées par Hubble. "La découverte des deux galaxies les plus faibles du groupe n'a été possible que grâce au filtre spécial à bande étroite utilisé avec NEWFIRM, " a déclaré le chef d'équipe Vithal Tilvi, chercheur à l'Arizona State University à Tempe.

"La lumière intense des galaxies peut ioniser l'hydrogène gazeux environnant, formant des bulles qui permettent à la lumière des étoiles de voyager librement, " a déclaré Tilvi. " EGS77 a formé une grande bulle qui permet à sa lumière de voyager jusqu'à la Terre sans trop d'atténuation. Finalement, des bulles comme celles-ci se sont développées autour de toutes les galaxies et ont rempli l'espace intergalactique, ouvrant la voie à la lumière pour voyager à travers l'univers."

EGS77 a été découvert dans le cadre de l'enquête Cosmic Deep And Wide Narrowband (Cosmic DAWN), pour lequel Rhoads est le chercheur principal. L'équipe a photographié une petite zone de la constellation de Boötes à l'aide d'un filtre sur mesure sur l'imageur infrarouge à champ extrêmement large (NEWFIRM) de l'Observatoire national d'astronomie optique. Ron Probst, un membre de l'équipe DAWN qui a également aidé à développer NEWFIRM, ajoute, « Ces résultats montrent l'intérêt de conserver dans nos observatoires nationaux des instruments puissants et adaptables avec souplesse pour poursuivre de nouvelles questions scientifiques, des questions qui n'étaient peut-être pas à l'esprit lorsqu'un instrument a été construit à l'origine. »

Une fois identifié, les distances et donc les âges de ces galaxies ont été confirmés avec des spectres pris avec le spectrographe MOSFIRE au télescope Keck I à l'observatoire W. M. Keck sur Maunakea à Hawai'i. Les trois galaxies présentent de fortes raies d'émission d'hydrogène Lyman alpha à un décalage vers le rouge (z =7,7), ce qui signifie que nous les voyons environ 680 millions d'années après le Big Bang. La taille de la bulle ionisée autour de chacun a été dérivée d'une modélisation informatique. Ces bulles se chevauchent spatialement, mais sont suffisamment grands (environ 2,2 millions d'années-lumière) pour que les photons alpha de Lyman soient décalés vers le rouge avant d'atteindre la limite de la bulle et puissent ainsi s'en sortir indemnes, permettant aux astronomes de les détecter.

"Nous nous attendions à ce que les bulles de réionisation de cette époque de l'histoire cosmique soient rares et difficiles à trouver, " dit Sangeeta Malhotra, un collaborateur à la NASA GSFC, "donc la confirmation de cette transition est importante." Cette " aube cosmique, " l'état intermédiaire entre un univers neutre et un univers ionisé, est quelque chose qui a été prédit. De telles découvertes sont rendues possibles par la disponibilité d'instruments astronomiques puissants qui peuvent sonder l'univers d'une manière inimaginable par les générations d'astronomes passées.

Cette recherche sera présentée dans un prochain article et est actuellement sur le point d'être acceptée.