Le JWST a aidé les astronomes à découvrir des galaxies lointaines (à droite) similaires aux galaxies « pois vert » (à gauche, photographiées par le Sloan Digital Sky Survey) dans l’univers proche.Crédit : SDSS et NASA, ESA, CSA et STScI

Les astronomes utilisant le télescope spatial James Webb (JWST) ont trouvé trois petites galaxies qui auraient pu contribuer à déclencher l’un des plus grands remodelages de l’histoire cosmique.

Les résultats, présentés lors d’une réunion de l’American Astronomical Society (AAS) à Seattle, Washington, et publiés la semaine dernièreunpourrait expliquer la réionisation, la période au cours de laquelle un fort rayonnement a déchiré un « brouillard » d’atomes d’hydrogène qui planait sur l’Univers, rendant les étoiles et les galaxies visibles pour la première fois.

un black-out cosmique

Immédiatement après le Big Bang, l’Univers était d’une luminosité aveuglante. La chaleur résiduelle était si grande que les électrons ne pouvaient pas se joindre aux protons pour former des atomes. Au lieu de cela, l’Univers était un plasma bouillonnant, un gaz dense et brillant de particules électriquement chargées (ou ionisées) qui diffusaient la lumière, comme une ampoule fluorescente.

Après environ 380 000 ans, l’Univers en expansion s’était suffisamment refroidi pour que des atomes d’hydrogène se forment. Certains de ces atomes ont finalement fusionné dans les premières étoiles et galaxies. Mais la couche d’hydrogène environnante a absorbé leur lumière, de la même manière qu’un brouillard épais peut bloquer les phares d’un véhicule.

Finalement, cet âge sombre cosmique a pris fin. Le rayonnement énergétique a brisé les atomes d’hydrogène intergalactiques, les transformant en protons et en électrons isolés, dans un processus appelé réionisation. Mais ioniser toute la matière entre les galaxies nécessiterait une énorme quantité d’énergie, et les astronomes se disputent depuis longtemps sur le pilote exact. C’était peut-être la lumière des étoiles des premières galaxies. Ou peut-être que l’événement a été causé par des trous noirs supermassifs, attirant la matière vers eux et la chauffant.

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« L’une des grandes questions cosmologiques est la suivante : quelle est la cause de la réionisation ? » dit Trinh Thuan, astronome à l’Université de Virginie à Charlottesville.

pois galactiques

Le 11 juillet 2022, environ six mois après le lancement du JWST, l’observatoire livré l’image la plus profonde et la plus nette de l’Univers lointain vue jusqu’à présent. L’image, qui est centrée sur un amas de galaxies appelé SMACS 0723, contient des milliers de galaxies plus faibles qu’auparavant. JWST pourrait le capturer car il analyse la lumière infrarouge; Au fur et à mesure que l’Univers s’étend, ses galaxies les plus éloignées semblent se déplacer hors de la partie visible du spectre électromagnétique et dans l’infrarouge. Sur les milliers de galaxies de l’image SMACS 0723, les chercheurs ont décidé de faire des observations spectroscopiques de suivi sur trois qui semblaient être particulièrement éloignées.

Le spectrographe proche infrarouge du télescope spatial James Webb a capturé les empreintes chimiques de galaxies sélectionnées

Les spectres d’émission des galaxies du pois vert sont similaires à ceux des galaxies de l’Univers primordial, détectées par JWST.Crédit : NASA Goddard Space Flight Center/Rhoads et al. 2023

Mais lorsque James Rhoads, astronome au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, et ses collègues ont vu pour la première fois les spectres du trio, ils ont réalisé que les galaxies ressemblaient à des objets normalement trouvés à proximité. Ils ressemblaient étrangement aux galaxies «pois vert», des bizarreries détectées pour la première fois par un projet de science citoyenne appelé Galaxy Zoo et signalées2 en 2009.

Les galaxies à pois verts tirent leur nom de leur couleur et de leur petite taille. Ils ne font que 5 % de la taille de la Voie lactée et 1 % de sa masse. Mais ne vous laissez pas tromper par leur petite taille : elles produisent des étoiles à une vitesse énorme, environ 100 fois plus rapide que ce à quoi les astronomes s’attendraient, compte tenu de leur masse. Ils semblent également contenir relativement peu d’éléments lourds. Sa teinte verdâtre provient de la lueur de l’oxygène ionisé (un élément relativement léger) chauffé par les étoiles naissantes.

Les pois verts ont fasciné les astronomes car, bien qu’ils n’aient été observés que dans l’Univers proche, leurs propriétés ressemblent à celles attendues pour les premières galaxies. On pense par exemple que les premières galaxies ne contiennent que des éléments légers car les éléments lourds mettent du temps à se former. Sangeeta Malhotra, astronome au Goddard Space Flight Center, a plaisanté lors de la réunion de l’AAS le 12 janvier en disant qu’elles sont des « galaxies de Peter Pan » parce qu’elles n’ont pas mûri.

premiers sosies

C’est pourquoi Rhoads, Malhotra et leurs collègues étaient enthousiasmés par les spectres du trio de galaxies analysées par JWST : Les galaxies sont du cosmos primitif mais ressemblent à des pois verts à proximité. « Nous savions qu’ils ressemblaient à des spectres de pois verts au moment où nous les avons vus », a déclaré Rhoads. La nature.

Comme les pois verts, le trio est petit et a un spectre d’émission puissant, ce qui signifie qu’il produit également des étoiles rapidement. De même, ils sont pauvres en éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium. En fait, la plus éloignée des trois contient environ 2% d’oxygène comme la Voie lactée. C’est peut-être la plus faible quantité d’oxygène observée dans une galaxie jusqu’à présent.

Thuan se dit « surpris » de voir la similitude entre les spectres pris par JWST de ces galaxies et ceux des pois verts, qu’il étudie depuis longtemps.

Il ne fait aucun doute qu’il s’agit du même type d’objet. Avant le JWST, les chercheurs avaient mesuré les pois verts dix milliards d’années après le Big Bang, explique Daniel Schaerer, astronome à l’Université de Genève en Suisse. « Et maintenant, tout d’un coup, nous pouvons faire la même chose, mais seulement 700 millions d’années après le Big Bang. C’est complètement incroyable. »

Une autre cause d’excitation remonte à 2016, lorsque des astronomes, dont Thuan, ont signalé qu’un pois vert envoyait des charges de photons ionisants dans le milieu intergalactique.3. La plupart des galaxies observées dans l’Univers proche ne le font pas. Avec autant d’étoiles dans un si petit volume, les pois pourraient creuser des canaux à travers le milieu interstellaire, créant une voie d’évacuation pour le rayonnement énergétique.

Cela pourrait signifier que des objets comme le trio de l’Univers primitif produisaient l’énergie nécessaire pour libérer le cosmos de son âge sombre. Pour Thuan, les résultats sont probants. « Maintenant, je crois vraiment que ces galaxies naines formant des étoiles sont l’agent de la réionisation », dit-il.