« Cosmic Lighthouses » – Webb révèle les secrets de la première lumière de l'univers

Les observations pionnières du télescope spatial James Webb révèlent le rôle central des galaxies de faible masse dans la réionisation de l'univers primitif, remettant en question les théories existantes sur l'évolution cosmique.

Des scientifiques travaillant avec les données du télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA ont obtenu les premiers spectres complets de certaines des plus anciennes lumières stellaires de l'univers. Les images fournissent l’image la plus claire à ce jour des nouvelles galaxies de très faible masse, qui se sont formées moins d’un milliard d’années après le Big Bang, et suggèrent que les jeunes galaxies jouent un rôle central dans l’histoire de l’origine cosmique.

L'équipe internationale de chercheurs, dont deux astrophysiciens de Penn State, a récemment publié ses découvertes 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 prises par le télescope spatial James Webb de la NASA ont fourni les premiers aperçus de galaxies extrêmement faibles que les chercheurs ont identifiées comme de solides candidats pour les objets qui ont déclenché la réionisation de l'univers. Source image : Hakim Atiq/Sorbonne Université/JWST

L'univers primordial : la 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 Lyga, 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 individuels ont commencé à se lier, formant pour la première fois de l'hydrogène neutre. Environ 500 à 900 millions d'années plus tard le Big BangL'hydrogène neutre – qui prévalait dans l'univers primitif – a commencé à se séparer à nouveau en gaz ionisé, stimulant la formation d'étoiles et de galaxies et soulevant le brouillard primordial afin que la lumière puisse pour la première fois voyager sans entrave à travers l'univers.

« Quelque chose s'est déclenché et a commencé à injecter des photons de très haute énergie dans le vide entre les galaxies », a déclaré Lyga. « Ces sources ont agi comme des balises cosmiques qui ont brûlé le brouillard d'hydrogène neutre. Quoi qu'il en soit, il était si énergique et persistant que l'univers entier a été à nouveau ionisé. »

Pionniers des galaxies : le rôle des galaxies de faible masse

En analysant le spectre de petites galaxies de faible masse, les scientifiques ont démontré que les petites galaxies étaient de solides candidats pour la « chose » qui réioniserait l'univers en chauffant le gaz primordial dense qui les entourait et en ionisant l'hydrogène auparavant neutre.

« Si d'autres galaxies de faible masse dans l'univers sont aussi communes et vibrantes que celles-ci, alors nous pensons que nous sommes enfin arrivés aux phares qui ont brûlé le brouillard cosmique », a déclaré Lyga. « C'étaient des étoiles incroyablement actives dans de très nombreuses petites galaxies. »

Leija a ajouté que la majorité des galaxies de l’univers primitif devraient être relativement petites, ce qui rend très difficile l’étude de leur fréquence et de leurs propriétés. Grâce à une avancée technologique rendue possible par la combinaison unique de la sensibilité du télescope spatial James Webb 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 Il est désormais possible de déterminer l'abondance des petites galaxies et leurs propriétés ionisantes en un milliard d'années, pour la première fois dans l'univers.

« Nous avons constaté que les petites galaxies sont environ cent fois plus nombreuses que les galaxies massives au cours de cette époque de réionisation de l'univers », Hakim Atiq, astrophysicien à l'Université de la Sorbonne, chercheur à l'Institut d'Astrophysique de Paris et premier auteur de l'article, a déclaré dans un communiqué. « Ces nouvelles observations révèlent également que ces petites galaxies ont produit une grande quantité de photons ionisants, dépassant quatre fois les valeurs fondamentales normalement 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 reflétait des galaxies plus petites et plus lointaines. Des chercheurs de Penn State ont analysé tous les petits points lumineux du scan pour comprendre les propriétés de l'objet ainsi que sa masse et ses distances probables. Cette analyse a ensuite été utilisée pour guider les observations plus détaillées du JWST qui ont conduit à cette découverte, a expliqué Lija.

Avant ces résultats, un certain nombre d’hypothèses identifiaient d’autres sources responsables de la réionisation cosmique, telles que les trous noirs supermassifs ; Grandes galaxies d'une masse supérieure à un milliard de masses solaires ; Et de petites galaxies d'une masse inférieure à un milliard de masses solaires. Les chercheurs ont déclaré que confirmer l'hypothèse concernant les galaxies de faible masse s'est avérée particulièrement difficile, compte tenu de leur faible luminosité, mais les nouveaux résultats fournissent 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 maintenant étendre l'étude à une plus grande échelle pour garantir que l'emplacement spécifique qu'ils ont analysé représente 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 sont nées du gaz primordial et de la manière dont elles ont évolué pour devenir l'univers que nous connaissons aujourd'hui.

Référence : « La plupart des photons qui ont réionisé l'univers provenaient de galaxies naines » par Hakim Atiq, Ivo Lappé, Lukas J. Sedona H. Price, Pratika Dayal, Adi Zitrin, Vasily Kokorev, John R. Weaver, Gabriel Brammer, Peter van Dokkum, Christina C. Williams, Sam E. Cutler, Robert Feldman, Yoshinobu Fudamoto, Jenny E. Green, Joel Leija, Michael V. Maceda, Adam Muzin, Richard Pan, Casey Papovich et Erika J. Nelson, Themia Nanayakkara et Daniel B. Stark, Mauro Stefanone et Katherine A. Suss, Bingjie Wang et Catherine E. Whitaker, 28 février 2024, nature.
est ce que je: 10.1038/s41586-024-07043-6

Bingyi Wang, chercheur postdoctoral en astrophysique, est l'autre co-auteur de l'étude de Penn State. Une liste complète des auteurs et de leurs institutions est disponible sur l'article publié. Les chercheurs reconnaissent le financement et le soutien du Centre national d'études spatiales français, du Programme national de cosmologie et des galaxies, du CEA, du Cosmic Dawn Centre, de la Fondation nationale danoise pour la recherche, de l'Australian Research Council, de NOW, du programme Rosalind Franklin du Fonds commun de la Commission européenne et Université de Groningen. Fondation nationale pour la science américano-israélienne, Fondation nationale pour la science des États-Unis (NSF), ministère de la Science et de la Technologie, Israël et Laboratoire NOIRIl est géré par le Consortium des universités pour la recherche en astronomie dans le cadre d'un accord de coopération avec la NSF.