Des astronomes utilisant certains des télescopes les plus puissants au monde ont découvert des preuves que des étoiles se formaient extrêmement tôt dans la vie de l’Univers : seulement 250 millions d’années après le Big Bang.
250 millions d’années après le Big Bang : c’est à ce moment-là que l’Univers ne représentait que 2% de son âge actuel, et une récente découverte bat le précédent record concernant la preuve de la formation précoce des étoiles. Ce record bat également celui de l’oxygène le plus ancien jamais détecté, à 13.28 milliards d’années (soit 500 millions d’années après le Big Bang).
Les toutes premières années de l’Univers sont très difficiles à étudier. Nous avons une idée approximative de ce qui s’est passé, mais c’était il y a très longtemps et tout rayonnement est difficile à détecter par notre instrumentation actuelle, en particulier avant que l’Univers ait environ 300 millions d’années. Après cette période, les objets de l’Univers sont devenus progressivement plus faciles à détecter et à observer avec nos instruments. C’est l’un de ces objets qu’une équipe internationale d’astronomes, dirigée par Takuya Hashimoto, astronome à l’Université Osaka Sangyo et à l’Observatoire Astronomique National du Japon, avait pour but d’observer.
Au Chili, ils ont utilisé l’ALMA (Grand réseau d’antennes millimétrique/submillimétrique de l’Atacama) sur l’un des objets les plus connus de l’Univers, une galaxie appelée MACS1149-JD1. Et même si c’était un signal plutôt faible, les chercheurs ont détecté la présence d’oxygène dans le spectre de la galaxie. Sur la base de la longueur d’onde de la lumière, étirée de l’infrarouge aux micro-ondes par l’expansion de l’Univers, l’équipe a constaté que la galaxie se trouvait à 13.28 milliards d’années-lumière : cette découverte a été vérifiée de manière indépendante par la détection d’une émission d’hydrogène neutre de la galaxie, rendue possible par le Very Large Telescope (VLT) de l’Observatoire européen austral. « J’ai été ravi de voir le signal de l’oxygène lointain dans les données d’ALMA. Cette détection repousse les frontières de l’Univers observable », a déclaré Hashimoto.
Pourquoi l’oxygène est-il si important ? Parce qu’au début de l’univers, il n’y en avait pas. Il faut des étoiles pour le créer : et non seulement leur existence, mais également leurs morts ! En effet, l’oxygène se forme dans les étoiles, et il est ensuite libéré dans l’espace environnant lorsqu’elles meurent.
Là, il est alors ionisé par le rayonnement des autres étoiles, brillant dans l’infrarouge. Pour que l’oxygène produise un rayonnement infrarouge au sein de la galaxie MACS1149-JD1, cette dernière devait déjà avoir produit une génération d’étoiles qui ont vécu et qui sont mortes précédemment. « Cette galaxie est vue à une époque où l’Univers n’avait que 500 millions d’années et pourtant, elle a déjà une population d’étoiles matures », explique l’un des membres de l’équipe, le cosmologiste Nicolas Laporte de l’University College London, au Royaume-Uni. « Nous sommes donc capables d’utiliser cette galaxie pour explorer une période antérieure, complètement inconnue, de l’histoire cosmique », ajoute-t-il.
L’étape suivante consistait donc à déterminer comment exactement la galaxie aurait pu générer l’oxygène observé. L’équipe a utilisé les données infrarouges de deux télescopes spatiaux, le télescope spatial Hubble et le télescope spatial Spitzer. Ils ont découvert que la luminosité de la galaxie pourrait très bien être expliquée par un modèle dans lequel les premières étoiles se seraient formées 250 millions d’années auparavant. En effet, selon ce modèle, cette première explosion de formation d’étoiles a détourné le gaz de la galaxie, ce qui aurait empêché la formation d’étoiles. Mais alors, le gaz aurait déclenché un second éclat de formation d’étoiles au moment des observations d’ALMA, 500 millions d’années après le Big Bang.
Ce sont les étoiles massives issues de cette deuxième explosion de formation d’étoiles qui auraient ionisé l’oxygène, laissé par la première génération d’étoiles. Ceci implique que les étoiles se sont formées plus tôt que nous ne pouvons le voir avec nos télescopes. Cela signifie également que nous sommes plus proches de découvrir ce que l’on appelle l’aube du Cosmos, lorsque les toutes premières étoiles ont émergé. « Déterminer quand l’aube cosmique s’est produite est semblable au ‘Saint Graal’ de la cosmologie et de la formation des galaxies », a déclaré Richard Ellis, astrophysicien à l’University College de Londres, et co-auteur de l’article.
Une galaxie est une grande structure cosmique composée d'un
assemblage d'étoiles, de gaz et de poussières. Il en existe
plusieurs types, classés selon leur masse et leur morphologie,
formées à différentes... [...]