Nous savons enfin ce qui a allumé les lumières à l’aube des temps

Nous savons enfin ce qui a apporté la lumière au vide sombre et informe de l’Univers primitif.

Selon les données des télescopes spatiaux Hubble et James Webb, les origines des photons libres dans l’aube cosmique étaient de petites galaxies naines qui se sont illuminées, dissipant le brouillard d’hydrogène trouble qui remplissait l’espace intergalactique. Un nouvel article sur la recherche a été publié en février.

« Cette découverte révèle le rôle crucial joué par les galaxies ultra-faibles dans l’évolution de l’Univers primitif », a déclaré l’astrophysicienne Iryna Chemerynska de l’Institut d’Astrophysique de Paris.

« Elles produisent des photons ionisants qui transforment l’hydrogène neutre en plasma ionisé pendant la réionisation cosmique. Cela souligne l’importance de comprendre les galaxies de faible masse dans la formation de l’histoire de l’Univers. »

Au début de l’Univers, quelques minutes après le Big Bang, l’espace était rempli d’un brouillard chaud et dense de plasma ionisé. La faible lumière qui existait n’aurait pas pu pénétrer ce brouillard ; les photons se seraient simplement dispersés sur les électrons libres flottant autour, rendant effectivement l’Univers sombre.

Au fur et à mesure que l’Univers refroidissait, après environ 300 000 ans, les protons et les électrons ont commencé à se rassembler pour former du gaz d’hydrogène neutre (et un peu d’hélium).

La plupart des longueurs d’onde de la lumière pouvaient pénétrer ce milieu neutre, mais il y avait très peu de sources de lumière pour la produire. Mais à partir de cet hydrogène et de cet hélium, les premières étoiles sont nées.

Ces premières étoiles ont émis un rayonnement suffisamment puissant pour arracher les électrons de leurs noyaux et réioniser le gaz. À ce stade, cependant, l’Univers s’était tellement étendu que le gaz était diffus et ne pouvait pas empêcher la lumière de briller.

Environ 1 milliard d’années après le Big Bang, à la fin de la période connue sous le nom d’aube cosmique, l’Univers était entièrement réionisé. Ta-da ! Les lumières étaient allumées.

Mais comme il y a tellement de brouillard dans l’aube cosmique, et parce qu’elle est si sombre et lointaine dans le temps et l’espace, nous avons eu du mal à voir ce qui s’y trouve.

Les scientifiques pensaient que les sources responsables de la majeure partie du dégagement devaient être puissantes – d’énormes trous noirs dont l’accrétion produit une lumière éclatante, par exemple, et de grandes galaxies en proie à la formation d’étoiles (les étoiles naissantes produisent beaucoup de lumière UV).

Le JWST a été conçu, en partie, pour observer l’aube cosmique et essayer de voir ce qui s’y cache. Il a été très réussi, révélant toutes sortes de surprises sur cette période cruciale de la formation de notre Univers. Étonnamment, les observations du télescope suggèrent maintenant que les galaxies naines sont les acteurs clés de la réionisation.

Une image de champ profond du JWST avec certaines des sources identifiées par les chercheurs comme moteurs de la réionisation. (Hakim Atek/Sorbonne University/JWST)

Une équipe internationale dirigée par l’astrophysicien Hakim Atek de l’Institut d’Astrophysique de Paris s’est tournée vers les données du JWST sur un amas de galaxies appelé Abell 2744, étayées par des données de Hubble.

Abell 2744 est si dense que l’espace-temps se déforme autour de lui, formant une lentille cosmique ; toute lumière distante voyageant vers nous à travers cet espace-temps est amplifiée. Cela a permis aux chercheurs de voir de minuscules galaxies naines proches de l’aube cosmique.

Ensuite, ils ont utilisé le JWST pour obtenir des spectres détaillés de ces minuscules galaxies. Leur analyse a révélé que non seulement ces galaxies naines sont le type de galaxies le plus abondant dans l’Univers primitif, mais elles sont également beaucoup plus brillantes que prévu.

En fait, la recherche de l’équipe montre que les galaxies naines sont 100 fois plus nombreuses que les grandes galaxies et que leur production collective est quatre fois supérieure au rayonnement ionisant généralement supposé pour les grandes galaxies.

« Ces centrales cosmiques émettent collectivement plus que suffisamment d’énergie pour faire le travail », a déclaré Atek.

« Malgré leur petite taille, ces galaxies de faible masse sont de prolifiques producteurs de rayonnement énergétique,