Un groupe d'astronomes dirigé par Sarah Bosman de l'Institut Max Planck d'astronomie a chronométré de manière robuste la fin de l'époque de la réionisation de l'hydrogène gazeux neutre à environ 1,1 milliard d'années après le Big Bang. La réionisation a commencé lorsque la première génération d'étoiles s'est formée après les "âges sombres" cosmiques, une longue période où le gaz neutre remplissait seul l'univers sans aucune source de lumière. Le nouveau résultat règle un débat qui a duré deux décennies et découle des signatures de rayonnement de 67 quasars avec des empreintes d'hydrogène gazeux que la lumière a traversées avant d'atteindre la Terre. Repérer la fin de cette « aube cosmique » permettra d'identifier les sources ionisantes :les premières étoiles et galaxies.

L'univers a traversé différentes phases depuis son origine jusqu'à son état actuel. Au cours des 380 000 premières années après le Big Bang, c'était un plasma ionisé chaud et dense. Après cette période, il s'est suffisamment refroidi pour que les protons et les électrons qui remplissaient l'univers se combinent en atomes d'hydrogène neutres. Pendant la majeure partie de ces "âges sombres", l'univers n'avait aucune source de lumière visible. Avec l'avènement des premières étoiles et galaxies environ 100 millions d'années plus tard, ce gaz est progressivement redevenu ionisé par le rayonnement ultraviolet (UV) des étoiles. Ce processus sépare les électrons des protons, les laissant sous forme de particules libres. Cette ère est communément appelée "l'aube cosmique". Aujourd'hui, tout l'hydrogène dispersé entre les galaxies, le gaz intergalactique, est entièrement ionisé. Cependant, quand cela s'est produit est un sujet très discuté parmi les scientifiques et un domaine de recherche hautement compétitif.

Une fin tardive de l'aube cosmique

Une équipe internationale d'astronomes dirigée par Sarah Bosman de l'Institut Max Planck d'astronomie (MPIA) à Heidelberg, en Allemagne, a maintenant chronométré avec précision la fin de l'époque de la réionisation à 1,1 milliard d'années après le Big Bang. "Je suis fascinée par l'idée des différentes phases traversées par l'univers menant à la formation du Soleil et de la Terre. C'est un grand privilège d'apporter une nouvelle petite pièce à notre connaissance de l'histoire cosmique", déclare Sarah Bosman. Elle est l'auteur principal de l'article de recherche qui apparaît dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society aujourd'hui.

Frederick Davies, également astronome MPIA et co-auteur de l'article, commente :« Jusqu'à il y a quelques années, la sagesse dominante était que la réionisation s'était achevée près de 200 millions d'années plus tôt. Ici, nous avons maintenant la preuve la plus solide que le processus s'est terminé beaucoup plus tard, au cours d'une époque cosmique plus facilement observable par les installations d'observation de la génération actuelle." Cette correction temporelle peut paraître marginale compte tenu des milliards d'années depuis le Big Bang. Cependant, quelques centaines de millions d'années de plus ont suffi pour produire plusieurs dizaines de générations stellaires au début de l'évolution cosmique. La chronologie de l'ère de "l'aube cosmique" limite la nature et la durée de vie des sources ionisantes présentes pendant les centaines de millions d'années qu'elle a duré.

Cette approche indirecte est actuellement le seul moyen de caractériser les objets qui ont conduit le processus de réionisation. L'observation directe de ces premières étoiles et galaxies dépasse les capacités des télescopes contemporains. Ils sont tout simplement trop faibles pour obtenir des données utiles dans un délai raisonnable. Même les installations de nouvelle génération comme l'Extremely Large Telescope (ELT) de l'ESO ou le télescope spatial James Webb peuvent avoir du mal à accomplir une telle tâche.

Quasars comme sondes cosmiques

Pour déterminer quand l'univers a été complètement ionisé, les scientifiques appliquent différentes méthodes. L'une consiste à mesurer l'émission d'hydrogène gazeux neutre au niveau de la célèbre raie spectrale de 21 centimètres. Au lieu de cela, Sarah Bosman et ses collègues ont analysé la lumière reçue de fortes sources de fond. Ils ont utilisé 67 quasars, les disques brillants de gaz chaud entourant les trous noirs massifs centraux dans les galaxies actives distantes. En regardant un spectre de quasar, qui visualise son intensité répartie sur les longueurs d'onde observées, les astronomes trouvent des modèles où la lumière semble manquer. C'est ce que les scientifiques appellent les raies d'absorption. L'hydrogène gazeux neutre absorbe cette portion de lumière tout au long de son trajet de la source au télescope. Les spectres de ces 67 quasars sont d'une qualité sans précédent, ce qui était crucial pour le succès de cette étude.

La méthode consiste à regarder une raie spectrale équivalente à une longueur d'onde de 121,6 nanomètres. Cette longueur d'onde appartient à la gamme UV et est la raie spectrale de l'hydrogène la plus forte. Cependant, l'expansion cosmique déplace le spectre du quasar vers des longueurs d'onde plus longues au fur et à mesure que la lumière se déplace. Par conséquent, le décalage vers le rouge de la raie d'absorption UV observée peut être traduit en distance par rapport à la Terre. Dans cette étude, l'effet avait déplacé la ligne UV dans la gamme infrarouge lorsqu'elle atteignait le télescope.

Selon la fraction entre l'hydrogène gazeux neutre et ionisé, le degré d'absorption, ou inversement, la transmission à travers un tel nuage, atteint une certaine valeur. Lorsque la lumière rencontre une région avec une fraction élevée de gaz ionisé, elle ne peut pas absorber le rayonnement UV aussi efficacement. Cette propriété est ce que l'équipe recherchait.

La lumière du quasar traverse de nombreux nuages ​​​​d'hydrogène à différentes distances sur son chemin, chacun d'eux laissant son empreinte à des décalages vers le rouge plus petits par rapport à la gamme UV. En théorie, l'analyse du changement de transmission par ligne décalée vers le rouge devrait donner le temps ou la distance à laquelle l'hydrogène gazeux a été complètement ionisé

Les modèles aident à démêler les influences concurrentes

Malheureusement, les circonstances sont encore plus compliquées. Depuis la fin de la réionisation, seul l'espace intergalactique est totalement ionisé. Il existe un réseau de matière partiellement neutre qui relie les galaxies et les amas de galaxies, appelé "toile cosmique". Là où le gaz hydrogène est neutre, il laisse également sa marque dans la lumière du quasar.

Pour démêler ces influences, l'équipe a appliqué un modèle physique qui reproduit les variations mesurées à une époque beaucoup plus tardive, lorsque le gaz intergalactique était déjà complètement ionisé. Lorsqu'ils ont comparé le modèle avec leurs résultats, ils ont découvert une déviation à une longueur d'onde où la ligne de 121,6 nanomètres était décalée d'un facteur 5,3 correspondant à un âge cosmique de 1,1 milliard d'années. Cette transition indique le moment où les changements dans la lumière du quasar mesurée deviennent incompatibles avec les fluctuations de la seule toile cosmique. Par conséquent, c'était la dernière période où l'hydrogène gazeux neutre devait être présent dans l'espace intergalactique et s'être ensuite ionisé. C'était la fin de "l'aube cosmique".

L'avenir est radieux

"Ce nouvel ensemble de données fournit une référence cruciale par rapport à laquelle les simulations numériques du premier milliard d'années de l'univers seront testées pour les années à venir", déclare Frederick Davies. Ils permettront de caractériser les sources ionisantes, les toutes premières générations d'étoiles.

"La direction future la plus excitante pour notre travail est de l'étendre à des temps encore plus anciens, vers le point médian du processus de réionisation", souligne Sarah Bosman. "Malheureusement, des distances plus grandes signifient que ces quasars antérieurs sont nettement plus faibles. Par conséquent, la zone de collecte élargie des télescopes de nouvelle génération tels que l'ELT sera cruciale." + Explorer plus loin

Découverte d'une galaxie lumineuse réionisant le milieu intergalactique local il y a 13 milliards d'années