Des astronomes ont capturé la lumière ionisante d’une galaxie qui existait seulement 1,4 milliard d’années après le Big Bang, soit à peu près vers la fin de l’époque de réionisation de l’Univers. La galaxie abriterait une très forte densité de très jeunes étoiles produisant un rayonnement capable d’ioniser le gaz neutre et opaque environnant, une détection directe du rayonnement ionisant provenant d’une galaxie aussi lointaine que l’on pensait jusqu’ici impossible. Ces données pourraient ainsi contribuer à la compréhension de cette période insaisissable de l’Univers.
Des centaines de millions d’années après le Big Bang, l’Univers était rempli d’un nuage d’hydrogène neutre dense et opaque qui empêchait la lumière de se propager librement à travers le cosmos. Puis, à mesure qu’elles se formaient, les premières étoiles et galaxies ont ionisé (l’arrachage des électrons aux atomes) le gaz grâce à leurs photons ultraviolets, dissipant ainsi le brouillard et laissant la lumière se propager.
Cette période, appelée réionisation, fait, depuis des décennies, l’objet de recherches actives, le processus exact qui la sous-tend n’étant pas encore pleinement compris. Bien qu’un certain nombre de galaxies primitives ait été recensé, les observations concernant cette période de l’Univers sont complexes, les populations d’étoiles qui auraient pu enclencher la réionisation étant trop éloignées pour être observées avec précision.
On pensait d’ailleurs jusqu’à présent que nos télescopes ne disposaient pas d’une résolution suffisante pour détecter la lumière ionisante des galaxies anciennes à l’origine de la réionisation. Des chercheurs affirment pourtant avoir détecté pour la première fois la lumière ionisante d’une galaxie lointaine à l’issue de plus de 40 heures d’observations.
« On pensait qu’observer une galaxie comme celle-ci était impossible », explique Ilias Goovaerts, auteur principal de l’étude et chercheur postdoctoral au Space Telescope Science Institute (STScI) de Baltimore, dans un communiqué de la NASA. « Les chercheurs s’attendaient à ce que le “brouillard”, c’est-à-dire l’hydrogène neutre qui remplissait l’Univers primordial, soit trop dense et nous empêche de voir sa lumière ionisante. Hubble a non seulement détecté cette lumière, mais il a aussi permis de révéler des détails incroyables sur les caractéristiques de la galaxie. »
Une découverte fortuite au cœur des archives de Hubble et de Webb
Baptisée MXDFz4.4, la galaxie à l’origine de la lumière ionisante a été découverte fortuitement alors que Goovaerts effectuait des observations en vue de préparer une demande de subvention sans rapport avec cette découverte. Le chercheur examinait des données du télescope spatial Hubble, ainsi que des images à plusieurs longueurs d’onde du télescope spatial James Webb et de l’instrument MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) du Very Large Telescope, au Chili.
En analysant les données, le chercheur a identifié un signal inhabituel. « Tout s’est passé très vite entre l’idée qui nous est venue et le moment où je me suis dit : “Tiens, il y a quelque chose, c’est passionnant” », a expliqué Goovaerts à LiveScience. « Nous étions enthousiastes dès le premier jour, mais il a ensuite fallu des mois pour que le signal se stabilise et que nous puissions en extraire toutes les caractéristiques. »
Les données de MUSE, analysant la raie d’émission Lyman-alpha (le rayonnement émis par l’hydrogène lorsqu’il est excité) de la galaxie, ont permis de déduire que celle-ci existait environ 1,4 milliard d’années après le Big Bang, soit vers la fin de la réionisation. « Ce qui est vraiment exceptionnel avec cette galaxie, c’est qu’elle traverse une quantité considérable de milieu intergalactique. Étant la plus éloignée, elle doit traverser la plus grande quantité de milieu intergalactique », indique le chercheur au journal.
En effet, compte tenu de sa distance et de son ancienneté, le rayonnement de la galaxie s’est déplacé pendant plus de 12 milliards d’années avant d’atteindre Hubble. Entre-temps, l’espace s’est dilaté et le rayonnement s’est étiré, ou décalé vers le rouge, jusqu’à devenir visible par le télescope. D’après l’équipe, la couverture spectrale de Hubble, combinée à la sensibilité et à la résolution de son point d’observation, en fait le seul télescope actuellement capable de réaliser cette mesure dans cette configuration observationnelle.
À noter que « les astronomes ont découvert de nombreuses galaxies qui existaient à ce stade de l’histoire de l’Univers, mais nous n’avons détecté aucun photon ionisant provenant d’aucune d’entre elles, ce qui fait de MXDFz4.4 une galaxie unique en son genre », souligne Marc Rafelski, co-auteur de l’étude et directeur adjoint de la mission Hubble au STScI, dans le communiqué.
Des images détaillées en lumière visible prises par Hubble révèlent que plusieurs sursauts d’étoiles jeunes ont nettoyé l’espace dans et autour de la galaxie MXDFz4.4. Les astronomes cherchaient depuis longtemps des preuves pour expliquer cette transition — et Hubble a fourni le premier exemple dans cette période. © NASA, ESA, CSA, STScI, Ilias Goovaerts (STScI), Marc Rafelski (STScI, JHU), Anton Koekemoer (STScI) ; Traitement d’images : Alyssa Pagan (STScI)
Une fabrique d’étoiles hors norme aux confins de l’Univers
D’après les analyses de l’équipe de Goovaerts, les rayonnements ultraviolets ionisants de MXDFz4.4 proviendraient de la forte densité de jeunes étoiles qu’elle abrite. Ces étoiles se seraient formées par à-coups au cours des derniers millions d’années d’existence de la galaxie et sont regroupées au sein d’un espace particulièrement restreint. La galaxie formerait notamment de nouvelles étoiles dix fois plus vite que la Voie lactée, alors que sa taille est 100 fois plus petite.
Cette densité d’étoiles aurait conféré à la galaxie les rayonnements ionisants nécessaires à la création de canaux de passage à travers le gaz neutre et opaque environnant, laissant ainsi la lumière s’en échapper pour parcourir l’espace intergalactique. L’équipe estime qu’entre 50 et 100 % de la lumière ionisante émise par ces jeunes étoiles s’échappe du gaz environnant.
Ces résultats suggèrent en outre que les épisodes intenses de formation d’étoiles ont peut-être joué un rôle important dans le processus de réionisation de l’Univers et que d’autres galaxies du type de MXDFz4.4 restent encore à découvrir. Les résultats de l’étude sont détaillés dans The Astrophysical Journal.
Vidéo de présentation de la découverte :
