Entre le Big Bang et la formation des premières étoiles, notre Univers a traversé une très longue nuit. L’entièreté du cosmos était plongée dans une obscurité totale puisque la lumière, telle que nous la percevons aujourd’hui, ne pouvait pas se propager librement. C’est une image très difficile à former mentalement, mais il faut comprendre que les photons qui la composaient existaient déjà, mais ils étaient prisonniers d’un plasma brûlant et dense, composé de protons et d’électrons libres (un plasma ionisé).
Chaque fois qu’un photon se déplaçait dans l’espace, il entrait immédiatement en collision avec ces électrons et était diffusé sans fin. La lumière ne pouvait donc pas se propager librement, et encore moins illuminer l’espace, qui n’était pas noir au sens visuel du terme, mais simplement opaque. Cette phase a pris fin lors d’un processus baptisé réionisation, au cours duquel les photons des premières étoiles ont « nettoyé » l’espace intergalactique en l’ionisant. Bien que le phénomène ait été théorisé au début des années 2000, on ignorait en revanche quelle population d’objets cosmiques en avait été responsable.
De nombreuses hypothèses ont été formulées : galaxies géantes, amas d’étoiles, quasars, trous noirs, etc. Le problème, c’est que ces structures n’ont pu, à elles seules, fournir l’énergie nécessaire pour mener à terme la réionisation simulée par les modèles cosmologiques. Grâce aux observations croisées des télescopes Hubble et James Webb, des chercheurs de l’Institut d’Astrophysique de Paris pensent aujourd’hui avoir identifié l’origine de la lumière primordiale : d’innombrables galaxies naines. Les résultats de leur étude ont été publiés le 28 février 2024 dans la revue Nature.
Aux origines de la lumière
C’est en observant un amas galactique nommé Abell 2744, situé à plus de 3,5 milliards d’années-lumière de la Terre, que les chercheurs ont pu observer directement les galaxies responsables de la réionisation. Cet amas est tellement dense qu’il déforme la trame de l’espace-temps et agit comme une lentille gravitationnelle, amplifiant la lumière d’objets bien plus anciens ; une caractéristique qui permet aux astronomes d’observer des galaxies apparues peu après le Big Bang.
L’équipe à l’origine de l’étude, dirigée par Hakim Atek, a ainsi pu reconstituer l’apparence du cosmos tel qu’il était moins d’un milliard d’années après sa naissance. Selon leurs observations, il s’avère que le jeune Univers était saturé de galaxies naines, passées inaperçues sous l’œil des précédents télescopes.
Ces galaxies sont, à l’échelle de l’Univers, minuscules (d’où leur nom), souvent beaucoup moins massives et lumineuses que la nôtre, la Voie lactée. Néanmoins, leur activité stellaire produit un rayonnement ultraviolet si intense qu’il est capable de « casser » les atomes d’hydrogène, c’est-à-dire de séparer les électrons et les protons au sein de cet atome. C’est ce phénomène que l’on appelle réionisation, qui transforme le gaz neutre en plasma ionisé, donc perméable à la lumière.
« Ce sont de véritables foyers de rayonnement cosmique », explique Atek. « Leur nombre était si important que leur effet cumulé a suffi à rendre l’Univers transparent [NDLR : transparent s’entend ici au sens astrophysique : la lumière n’est plus absorbée, mais transmise à travers le gaz intergalactique.] »
Selon les estimations de l’équipe, ces galaxies naines étaient cent fois plus nombreuses que les grandes et émettaient jusqu’à quatre fois plus de rayonnement ionisant. Une énergie cumulée suffisamment importante pour ioniser le gaz d’hydrogène diffus qui baignait le cosmos, jusqu’à ce que la lumière puisse de nouveau circuler librement.
Toutefois, l’équipe appelle à ce que leur modèle soit pleinement confirmé : leurs observations n’ayant porté que sur une infime partie du cosmos, rien ne garantit qu’Abell 2744 soit représentatif des caractéristiques globales de l’Univers primordial. Une précaution nécessaire, qui n’affaiblit pas pour autant l’enthousiasme de la communauté scientifique. C’est le cas de Themiya Nanayakkara, astrophysicien à l’Université de Swinburne, en Australie : « Nous sommes maintenant entrés dans un territoire inexploré avec James Webb ». De nouvelles observations, menées sur d’autres régions du ciel, seront nécessaires pour attester des découvertes des chercheurs de l’Institut d’Astrophysique de Paris.
- Des chercheurs français ont repéré, grâce à Hubble et au télescope James Webb, une multitude de petites galaxies très anciennes qui auraient généré la première lumière de l’Univers.
- Ces galaxies minuscules, bien plus nombreuses que les grandes, auraient émis assez de rayonnement ultraviolet pour transformer l’hydrogène environnant et rendre le cosmos transparent.
- Les scientifiques restent prudents : les données ne concernent qu’une seule région du ciel, et d’autres observations seront nécessaires pour confirmer ce scénario à l’échelle de l’Univers.
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