Environ 400 000 ans après le Big Bang, le cosmos était un endroit très sombre. La lueur de la naissance explosive de l'univers s'était refroidie et l'espace était rempli de gaz dense - principalement de l'hydrogène - sans source de lumière.
Lentement, sur des centaines de millions d’années, le gaz a été attiré en amas par gravité, et finalement, les amas sont devenus suffisamment gros pour s’enflammer. Ce furent les premières étoiles.
Au début, leur lumière ne voyageait pas loin, car une grande partie était absorbée par un brouillard d’hydrogène gazeux. Cependant, à mesure que de plus en plus d'étoiles se formaient, elles produisaient suffisamment de lumière pour brûler le brouillard en « réionisant » le gaz, créant ainsi l'univers transparent parsemé de points lumineux brillants que nous voyons aujourd'hui.
Mais quelles étoiles exactement ont produit la lumière qui a mis fin aux âges sombres et déclenché cette soi-disant « époque de réionisation » ? Dans une recherche publiée dans Nature, nous avons utilisé un gigantesque amas de galaxies comme une loupe pour observer de faibles reliques de cette époque et avons découvert que les étoiles situées dans de petites galaxies naines faibles étaient probablement responsables de cette transformation à l'échelle cosmique.
La plupart des astronomes s'accordaient déjà sur le fait que les galaxies constituaient la principale force de réionisation de l'univers, mais la manière dont ils y parvenaient n'était pas claire. Nous savons que les étoiles des galaxies devraient produire beaucoup de photons ionisants, mais ces photons doivent s'échapper de la poussière et du gaz à l'intérieur de leur propre galaxie pour ioniser l'hydrogène dans l'espace entre les galaxies.
On ne sait pas encore clairement quel type de galaxies seraient capables de produire et d’émettre suffisamment de photons pour accomplir leur travail. (Et en effet, certains pensent que des objets plus exotiques comme de gros trous noirs pourraient en être responsables.)
Il existe deux camps parmi les adeptes de la théorie des galaxies.
La première pense que des galaxies immenses et massives ont produit les photons ionisants. Il n’y avait pas beaucoup de ces galaxies dans l’univers primitif, mais chacune produisait beaucoup de lumière. Donc, si une certaine fraction de cette lumière avait réussi à s'échapper, cela aurait pu suffire à réioniser l'univers.
Le deuxième camp pense qu’il vaut mieux ignorer les galaxies géantes et se concentrer sur le grand nombre de galaxies beaucoup plus petites de l’univers primitif. Chacun d'entre eux aurait produit beaucoup moins de lumière ionisante, mais avec le poids de leur nombre, ils auraient pu déclencher l'ère de la réionisation.
Une loupe de 4 millions d'années-lumière de large
Essayer de regarder quoi que ce soit dans l’univers primitif est très difficile. Les galaxies massives sont rares, donc difficiles à trouver. Les galaxies plus petites sont plus courantes, mais elles sont très faibles, ce qui rend difficile (et coûteuse) l'obtention de données de haute qualité.
Nous voulions observer certaines des galaxies les plus faibles du monde, nous avons donc utilisé un énorme groupe de galaxies appelé l'amas de Pandore comme loupe. L'énorme masse de l'amas déforme l'espace et le temps, amplifiant la lumière des objets situés derrière lui.
Dans le cadre du programme UNCOVER, nous avons utilisé le télescope spatial James Webb pour observer des images infrarouges agrandies de galaxies faibles derrière l'amas de Pandore.
Nous avons d’abord examiné de nombreuses galaxies différentes, puis nous en avons choisi quelques-unes particulièrement éloignées (et donc anciennes) à examiner de plus près. (Ce type d'examen minutieux coûte cher, nous n'avons donc pu examiner que huit galaxies plus en détail.)
Nous avons sélectionné certaines sources qui représentaient environ 0,5 % de la luminosité de notre galaxie, la Voie lactée à cette époque, et les avons vérifiées pour détecter la lueur révélatrice de l'hydrogène ionisé. Ces galaxies sont si faibles qu'elles n'étaient visibles que grâce à l'effet grossissant de l'amas de Pandore.
Nos observations ont confirmé que ces petites galaxies existaient bien au tout début de l’univers. De plus, nous avons confirmé qu’ils produisaient environ quatre fois plus de lumière ionisante que ce que nous considérons comme « normal ». C'est le niveau le plus élevé de ce que nous avions prédit, sur la base de notre compréhension de la formation des premières étoiles.
Parce que ces galaxies produisaient tellement de lumière ionisante, seule une petite fraction de celle-ci aurait dû s'échapper pour réioniser l'univers.
Auparavant, nous pensions qu’environ 20 % de tous les photons ionisants devraient s’échapper de ces galaxies plus petites pour qu’elles soient le principal contributeur à la réionisation. Nos nouvelles données suggèrent que même 5 % seraient suffisants, ce qui correspond à peu près à la fraction de photons ionisants que nous voyons s'échapper des galaxies modernes.
Nous pouvons donc désormais affirmer avec certitude que ces galaxies plus petites auraient pu jouer un rôle très important à l’époque de la réionisation. Cependant, notre étude ne portait que sur huit galaxies, toutes proches d’une seule ligne de visée. Pour confirmer nos résultats, nous devrons examiner différentes parties du ciel.
Nous avons prévu de nouvelles observations qui cibleront d’autres grands amas de galaxies ailleurs dans l’univers pour trouver des galaxies encore plus grossies et plus faibles à tester. Si tout se passe bien, nous aurons des réponses dans quelques années.
Fourni par The Conversation
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