En utilisant les données du télescope spatial James Webb de la NASA, les scientifiques ont dévoilé les premiers spectres de lumière des étoiles, révélant le rôle central des galaxies de faible masse dans l'aube de l'univers. Crédit : Issues.fr.com
Des observations révolutionnaires du JWST révèlent le rôle central des galaxies de faible masse dans la réionisation de l'univers primitif, remettant en question les théories existantes de l'évolution cosmique.
Des scientifiques travaillant avec les données du télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA ont obtenu le premier spectre complet de certaines des premières lumières stellaires de l'univers. Les images fournissent l’image la plus claire à ce jour des galaxies nouveau-nées de très faible masse, créées moins d’un milliard d’années après le Big Bang, et suggèrent que les minuscules galaxies sont au cœur de l’histoire de l’origine cosmique.
L'équipe internationale de chercheurs, dont deux astrophysiciens de Penn State, a récemment publié ses résultats dans la revue Nature. Les spectres révèlent certaines des premières lumières visibles d’une période de l’univers connue sous le nom de réionisation, alimentée par l’arrivée des premières étoiles et galaxies.
Les images en champ profond du télescope spatial James Webb de la NASA ont fourni les premiers aperçus de galaxies ultra-faibles que les chercheurs ont identifiées comme de solides candidats pour les objets qui ont déclenché la réionisation de l'univers. Crédit : Hakim Atek/Sorbonne Université/JWST
L'univers primordial : une transition des ténèbres à la lumière
La matière normale dans l'univers a commencé comme un brouillard chaud et dense composé presque entièrement de noyaux d'hydrogène et d'hélium, a expliqué Joel Leja, professeur adjoint d'astronomie et d'astrophysique à Penn State et auteur de l'article. Au fur et à mesure de son expansion et de son refroidissement, des protons et des électrons isolés ont commencé à se lier, formant pour la première fois de l'hydrogène neutre. Puis, environ 500 à 900 millions d'années après Big Bangcet hydrogène neutre – qui prédominait dans l’univers primitif – a commencé à se séparer à nouveau en gaz ionisé, stimulant la création d’étoiles et de galaxies et soulevant le brouillard primordial afin que la lumière puisse voyager sans entrave à travers le cosmos pour la première fois.
« Quelque chose s'est activé et a commencé à émettre des photons de très haute énergie dans le vide intergalactique », a déclaré Leja. « Ces sources fonctionnaient comme des phares cosmiques qui brûlaient le brouillard d’hydrogène neutre. Quoi qu’il en soit, c’était si énergique et si persistant que l’univers entier s’est réionisé.
Pionniers galactiques : le rôle des galaxies de faible masse
En analysant le spectre de jeunes galaxies de faible masse, les scientifiques ont démontré que les petites galaxies étaient de solides candidats pour le « quelque chose » qui a déclenché la réionisation de l’univers en chauffant le gaz primordial dense qui les entoure et en ionisant l’hydrogène autrefois neutre.
« Si les autres galaxies de faible masse de l'univers sont aussi communes et énergétiques que celles-ci, nous pensons que nous comprendrons enfin les phares qui ont brûlé le brouillard cosmique », a déclaré Leja. « C'étaient des étoiles incroyablement énergétiques dans de très nombreuses petites galaxies. »
La majorité des galaxies de l'univers primitif devraient être relativement petites, ce qui rend l'étude de leur fréquence et de leurs propriétés extrêmement difficile, a ajouté Leja. Grâce à une prouesse technologique rendue possible par la combinaison unique de la sensibilité JWST et de l'effet de lentille gravitationnelle de l'amas Abell 2744 — des galaxies proches qui agissent comme des loupes cosmiques, déformant l'espace et amplifiant la lumière des galaxies de fond — il est désormais possible de déterminer la l'abondance des petites galaxies et leurs propriétés ionisantes au cours du premier milliard d'années de l'univers.
« Nous avons constaté que les petites galaxies étaient environ cent fois plus nombreuses que les galaxies massives au cours de cette époque de réionisation de l'univers », a déclaré Hakim Atek, astrophysicien à la Sorbonne Université, chercheur à l'Institut d'Astrophysique de Paris et premier auteur de l'article dans un communiqué. « Ces nouvelles observations révèlent également que ces petites galaxies ont produit une quantité considérable de photons ionisants, dépassant de quatre fois les valeurs canoniques habituellement supposées pour les galaxies lointaines. Cela signifie que le flux total de photons ionisants émis par ces galaxies dépasse de loin le seuil requis pour la réionisation.
Tracer l’évolution cosmique : orientations futures
L'équipe de Penn State a dirigé la modélisation de l'enquête UNCOVER, qui ciblait le grand amas de galaxies au premier plan qui lentille les galaxies les plus petites et les plus éloignées. Les chercheurs de Penn State ont analysé tous les petits points lumineux de l’enquête pour comprendre les propriétés des objets ainsi que leurs masses et distances probables. Cette analyse a ensuite été utilisée pour guider des observations ultérieures plus détaillées du JWST qui ont conduit à cette découverte, a expliqué Leja.
Avant ces découvertes, un certain nombre d’hypothèses identifiaient d’autres sources responsables de la réionisation cosmique, telles que les trous noirs supermassifs ; les grandes galaxies dont la masse dépasse le milliard de masses solaires ; et les petites galaxies dont la masse est inférieure à 1 milliard de masses solaires. Les chercheurs ont déclaré que la confirmation de l'hypothèse relative aux galaxies de faible masse s'est avérée particulièrement difficile, étant donné leur faible luminosité, mais les nouvelles découvertes offrent la preuve la plus claire à ce jour que les galaxies de faible masse ont joué un rôle central dans la réionisation de l'univers.
Les chercheurs souhaitent désormais étendre l'étude à une plus grande échelle pour confirmer que l'emplacement particulier qu'ils ont analysé est représentatif de la répartition moyenne des galaxies dans l'univers. Au-delà du processus de réionisation, leurs observations donnent un aperçu du processus de formation précoce des étoiles, de la manière dont les galaxies ont émergé du gaz primordial et de la manière dont elles ont évolué pour devenir l'univers que nous connaissons aujourd'hui.
Bingjie Wang, chercheur postdoctoral en astrophysique, est l'autre co-auteur de l'étude à Penn State. Une liste complète des auteurs et de leurs institutions respectives est disponible sur l'article publié. Les chercheurs reconnaissent le financement et le soutien du CNES, du Programme National Cosmologie et Galaxies, du CEA, du Cosmic Dawn Center, de la Fondation nationale danoise pour la recherche, de l'Australian Research Council, du NOW, du programme CO-FUND Rosalind Franklin de la Commission européenne et de l'Université de Groningen. , la Fondation scientifique binationale États-Unis-Israël, la National Science Foundation (NSF) des États-Unis, le ministère de la Science et de la Technologie d'Israël et Laboratoire NOIRqui est géré par l'Association des universités pour la recherche en astronomie dans le cadre d'un accord de coopération avec la NSF.
