Lorsqu’une grande campagne de recherche est lancée avec un instrument nouveau et performant, ce qui est le plus espéré, c’est l’inattendu… mais, pas n’importe lequel toutefois. Pour prendre un exemple, il aurait été bien plus enthousiasmant que la détection du boson de Brout-Englert-Higgs ne se fasse pas avec les propriétés les plus raisonnablement prédites. Par contre, on s’attendait à la détection rapide de particules nouvelles au LHC, notamment de matière noirematière noire. Or, le fait qu’on ait rien vu de tel jusqu’à présent était bel et bien inattendu et porteur tout de même d’informations, car cela a permis de réfuter certaines théories.
Mais l’absence, au final, de signe d’une nouvelle physique n’était pas du tout ce que l’on espérait, bien que le dernier mot soit encore loin d’être dit, d’autant plus que le LHC peut encore être upgradé pour atteindre de nouveaux sommets de luminositéluminosité et d’énergie pour ses faisceaux de protons. Ce LHC à haute luminositéLHC à haute luminosité, ou HL-LHC, est prévu pour un avenir proche et devrait être opérationnel au cours des années 2030.
Dans le domaine de l’infiniment grand, on va justement et heureusement de surprise en surprise depuis la mise en service du télescope spatial James-Webbtélescope spatial James-Webb avec ses observations de galaxiesgalaxies moins de 500 millions d’années après le Big BangBig Bang. Certains se demandent d’ailleurs si cela signifie qu’il faut remettre en cause le modèle cosmologique standardmodèle cosmologique standard, par exemple en utilisant une autre théorie de la gravitationgravitation, comme Mond, plutôt que de postuler l’existence des particules de matière noire, ou encore en introduisant une énergie noireénergie noire variable.
Depuis environ 13,8 milliards d’années, l’Univers n’a cessé d’évoluer. Contrairement à ce que nous disent nos yeux lorsque l’on contemple le ciel, ce qui le compose est loin d’être statique. Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution. Il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui. © CEA Recherche
Une galaxie trop brillante en ultraviolet
Ce qui est certain, c’est que la théorie du Big Bang en tant que telle va rester avec nous, dans le sens où elle nous dit simplement que le cosmoscosmos observable actuel était plus chaud, plus dense et sans étoilesétoiles ni noyaux d’atomesatomes il y a environ 14 milliards d’années. Cela ne nous dit rien sur le fait qu’il puisse s’agir ou non d’un vrai début de l’existence de la matière et de l’espace-tempsespace-temps.
L’âge de ce cosmos observable depuis le Big Bang ne devrait pas changer beaucoup, car la théorie de la structure et de l’évolution stellaire – qui est bien comprise et basée sur de la physique facile à reproduire dans les laboratoires terrestres depuis un bon demi-siècle – nous permet de faire des datations dans la Voie lactéeVoie lactée de multiples façons. Datations qui ne donnent pas un âge supérieur à 14 milliards d’années.
Toujours est-il que le James-Webb n’arrête pas de nous poser des énigmes avec les jeunes galaxies dont on ne sait pas s’il est possible de les résoudre avec des raffinements des calculs et de la modélisationmodélisation basés sur l’astrophysiqueastrophysique connue.
On en voit un nouvel exemple avec un article publié dans Nature concernant une de ces galaxies lointaines dénommée JADES-GS-z13-1 et débusquée dans le cadre du programme de recherche JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Elle est observée dans l’infrarougeinfrarouge proche avec l’instrument NIRCam (Near-Infrared CameraNear-Infrared Camera) du JWST telle qu’elle était environ 330 millions d’années après le Big Bang, avec un décalage spectral z, comme disent les cosmologistes dans leur jargon, de 13.
Seulement voilà, elle apparaît particulièrement brillante au niveau des raies d’émissionémission de l’atome d’hydrogènehydrogène de la fameuse série Lyman-α dans ultravioletultraviolet (UV), série découverte en 1906 par un physicienphysicien de Harvard, Theodore Lyman, qui étudiait le spectrespectre UV en électrisant des moléculesmolécules d’hydrogène. C’est le facteur de dilatationdilatation de la longueur d’ondelongueur d’onde de ces photonsphotons UV produit par leur temps de voyage dans un espace en expansion qui les a conduits à être observés par le JWST dans l’infrarouge proche.
Mais, selon nos idées actuelles, environ 330 millions d’années après le Big Bang, on est encore au début de ce que l’on appelle la réionisationréionisation, de sorte que JADES-GS-z13-1 devait encore baigner dans un brouillardbrouillard d’atomes et de molécules d’hydrogène et d’héliumhélium largement neutre et bloquant les émissions UV Lyman-α. Le JWST ne devrait donc pas voir JADES-GS-z13-1 ou pour le moins elle devrait être moins brillante.
Arrêtons-nous un moment pour rappeler plus précisément de quoi il est question quand on parle de la réionisation, c’est-à-dire le passage des âges sombresâges sombres à celui de l’aubeaube cosmique et par quels moyens. Comme le montre la vidéo ci-dessous, ce n’est pas la première fois que l’on s’interroge sur une galaxie lointaine observée pendant la réionisation.
Selon le modèle cosmologique standard, environ 380 000 ans après la fin du Big Bang et disons environ un millier d’années, l’expansion du cosmos observable a fait chuter la température de son plasma, de sorte que les premiers atomes d’hydrogène et d’hélium se sont formés, les premières molécules d’hydrogène également et quelques traces d’autres atomes, comme le deutérium et le lithiumlithium. Les photons du rayonnement fossilerayonnement fossile n’étaient alors plus assez énergétiques pour casser un atome formé par la capture d’un électronélectron par un noyau du plasma.
Il y a presque 15 ans, une équipe européenne d’astronomes, utilisant le Très Grand Télescope (VLT) de l’ESO, avait mesuré la distance de la galaxie la plus lointaine connue à ce moment-là. En analysant minutieusement la très faible lueur de la galaxie, ils ont découvert qu’ils l’observaient alors que l’Univers n’avait qu’environ 600 millions d’années (décalage vers le rouge de 8,6), en pleine période de la réionisation. Il s’agissait des premières observations confirmées d’une galaxie dont la lumière dissipe le brouillard d’hydrogène opaque qui emplissait le cosmos à cette époque reculée. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © European Southern Observatory (ESO)
Aucune étoile n’illumine alors le gazgaz froid qui remplace le plasma gorgé de photons avant l’émission du rayonnement fossile. Ce sont les âges sombres qui ont duré quelques centaines de millions d’années tout au plus avant que l’effondrementeffondrement de la matière connue ne donne les premières populations d’étoiles importantes et les protogalaxies – comme l’explique la vidéo du CEA en tête de cet article.
Le rayonnement ultraviolet des premières étoiles, sans doute aidé aussi par le rayonnement similaire produit par les premiers trous noirs géants, ancêtres des trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs, a commencé à réioniser les atomes et, pendant la période dite justement de la réionisation, la majeure partie de la matière ordinaire entre les galaxies va retourner à l’état de plasma – mais bien moins dense. C’est d’ailleurs heureux pour les astrophysiciensastrophysiciens, car cela permet aux photons des galaxies lointaines de nous parvenir sans avoir été largement absorbés par le milieu intergalactique.
Le phénomène de la réionisation s’est produit très tôt dans l’histoire de l’univers, ce qui le rend difficilement observable directement. Quelques minutes après le Big-Bang, l’Univers était encore trop chaud pour que les électrons puissent être capturés par les noyaux atomiques : il était alors complètement ionisé. Par la suite, l’Univers a continué à s’étendre et se refroidir jusqu’à ce que sa température devienne suffisamment basse pour permettre aux électrons de se lier aux noyaux et de former les premiers atomes. Cette « recombinaison », comme on l’appelle, s’est produite environ 380 000 ans après le Big Bang. Ce moment marque aussi un autre événement important dans l’histoire de l’Univers : alors que la lumière est très facilement diffusée par les électrons quand ceux-ci sont libres, c’est beaucoup moins le cas quand ceux-ci sont liés aux noyaux. Ainsi, la recombinaison marque-t-elle aussi le moment où l’Univers est devenu transparent et où la lumière a pu s’y propager librement. © HFI Planck
Une énigme résolvable avec des étoiles de première génération ?
Toujours est-il que dans le communiqué de l’ESAESA qui accompagne la découverte de la singularité de GS-z13-1 faite par une équipe internationale dirigée par Joris Witstok de l’Université de Cambridge au Royaume-Uni, ainsi que du Cosmic DawnDawn Center et de l’Université de Copenhague au Danemark, les astrophysiciens ne cachent pas leur étonnement.
Kevin Hainline, membre de l’équipe de l’Université de l’Arizona aux États-Unis, déclare ainsi que : « Nous n’aurions vraiment pas dû trouver une galaxie comme celle-ci, compte tenu de notre compréhension de l’évolution de l’UniversUnivers. On pourrait imaginer l’Univers primordial enveloppé d’un épais brouillard qui rendrait extrêmement difficile la détection de puissants phares, même à travers celui-ci. Pourtant, nous voyons ici le faisceau lumineux de cette galaxie percer ce voile. Cette fascinante raie d’émission a d’importantes répercussions sur la manière et le moment de la réionisation de l’Univers. »
Son collègue Roberto Maiolino, membre de l’équipe de l’Université de Cambridge et de l’University College London, ajoute que pour lui aussi « ce résultat, totalement inattendu par rapport aux théories de la formation des galaxies primitives, a surpris les astronomesastronomes ».
Joris avance une explication possible : « La grande bulle d’hydrogène ionisé qui entoure cette galaxie pourrait avoir été créée par une population particulière d’étoiles, beaucoup plus massives, plus chaudes et plus lumineuses que les étoiles formées à des époques ultérieures, et peut-être représentative de la première génération d’étoiles. »
On pourrait faire intervenir également l’existence d’un noyau galactique actif précoce avec un trou noir géant et Peter Jakobsen, du Centre Cosmic Dawn et de l’Université de Copenhague au Danemark, rappelle que : « En suivant les traces du télescope spatial Hubbletélescope spatial Hubble, il était clair que Webb serait capable de découvrir des galaxies toujours plus lointaines. Cependant, comme l’a démontré le cas de GS-z13-1, il était évident que ce qu’il révélerait sur la nature des étoiles naissantes et des trous noirs qui se forment à la limite des temps cosmiques serait une surprise ».
Le communiqué de l’ESA se conclut en déclarant : « L’équipe prévoit d’autres observations de suivi de GS-z13-1, afin d’obtenir davantage d’informations sur la nature de cette galaxie et l’origine de son fort rayonnement Lyman-α. Quoi que cette galaxie cache, elle ouvrira certainement une nouvelle frontière en cosmologiecosmologie. »
Une conférence sur la réionisation avec des explications plus détaillées et complètes. © Institut d’Astrophysique de Paris
