L’ensemble de la communauté astronomique avait sans aucun doute de grandes attentes lors du lancement du télescope spatial James Webb (JWST), le 25 décembre 2021. Il a atteint le point de Lagrange L2, sa destination, c’est-à-dire la région de l’orbite terrestre où le satellite Planck a réalisé sa spectaculaire étude du rayonnement fossile, la plus ancienne lumière observable du cosmos, nous informant de son âge, de sa courbure, de sa forme. et contenu en matière noire et en énergie.
Le rayonnement fossile a été émis quelques milliers d’années, soit environ 380 000 ans après le Big Bang. Le James-Webb ne fait pas d’observations aussi précoces sur l’histoire de l’univers observable, mais il pourrait nous permettre de remonter au moins 250 millions d’années après le Big Bang et au moins de mieux comprendre les couches de lumière, disons entre 400 ans. . des millions et des milliards d’années, déjà accessibles avec Hubble, mais bien plus imparfaits.
L’univers a continué d’évoluer pendant 13,8 milliards d’années. Contrairement à ce que nous disent nos yeux lorsque nous regardons le ciel, son contenu est loin d’être statique. Les physiciens ont effectué des observations à différents âges de l’univers et effectué des simulations rejouant sa formation et son évolution. Il semble que la matière noire ait joué un rôle majeur depuis le début de l’univers jusqu’à la formation des grandes structures que nous observons aujourd’hui. © CEA Recherche
Galaxies primitives qui devraient être invisibles dans l’émission Lyman-α
Pourtant, un article publié dans Astronomie naturelle, et que l’on peut trouver gratuitement sur arXiv, rapporte les observations du JWST qui résolvent une énigme qui préoccupe les cosmologistes depuis un certain temps. Selon le modèle cosmologique standard, basé sur la matière noire et l’énergie noire, les galaxies les plus éloignées ne devraient pas beaucoup briller selon ce qu’on appelle l’émission Lyman-α des atomes d’hydrogène. Ils brilleraient encore moins si on les observait dans d’anciennes couches de lumière, au point qu’ils seraient invisibles moins d’un milliard d’années après le Big Bang.
Ce n’est pas le cas, pourquoi ? Cela pourrait-il pointer vers un autre problème de la cosmologie standard, comme celui de la valeur de la fameuse constante de Hubble-Lemaître ?
Pour comprendre de quoi il s’agit réellement, il faut revenir aux émissions de radiations fossiles. En quelques milliers d’années, la température du plasma de l’univers a suffisamment baissé en raison de son expansion pour que pendant cette période se forment les premiers atomes d’hydrogène et d’hélium, les noyaux capturant les électrons libres pour donner des atomes neutres. C’est le début du fameux Moyen Âge car il faudra cent millions d’années avant qu’un grand nombre d’étoiles commencent à apparaître.
Le phénomène de réionisation s’est produit très tôt dans l’histoire de l’univers, ce qui rend difficile son observation directe. Quelques minutes après le Big Bang, l’univers était encore trop chaud pour que les électrons puissent être captés par les noyaux atomiques : il était alors complètement ionisé. Ensuite, l’univers a continué à s’étendre et à se refroidir jusqu’à ce que la température devienne suffisamment basse pour que les électrons se lient aux noyaux et forment les premiers atomes. Cette « recombinaison », comme on l’appelle, s’est produite environ 380 000 ans après le Big Bang. Ce moment marque également un autre événement important dans l’histoire de l’univers : si la lumière est diffusée très facilement par les électrons lorsqu’ils sont libres, cela l’est beaucoup moins lorsqu’ils sont couplés à des noyaux. La recombinaison marque donc aussi le moment où l’univers est devenu transparent et où la lumière a pu s’y propager librement. © HFI Planck
Ces étoiles sont très chaudes et émettent un rayonnement dans le domaine ultraviolet, exactement selon l’émission Lyman-α. Cependant, à cette époque, il y aura encore des quantités massives d’hydrogène neutre, en particulier autour des galaxies émergentes, et il faudra des centaines de millions d’années avant que le rayonnement des étoiles dans ces jeunes galaxies en croissance, et peut-être aussi les premiers trous noirs gigantesques, aspire la matière qui s’échauffe. . et rayonne en conséquence, cet hydrogène neutre s’ionise entre les galaxies, ce qui est assez opaque aux émissions Lyman-α. Le cosmos observable ne devrait donc devenir transparent que lentement pendant la période dite de réionisation, dont nous savons qu’elle se terminera au plus tard environ un milliard d’années après le Big Bang.
Des « galaxies » composées de plusieurs galaxies en collision ?
Les astrophysiciens croient détenir désormais la clé de l’énigme de la luminosité anormale des jeunes galaxies, alors que la réionisation n’est pas encore suffisante. Elle nous parvient donc via JWST et son NIRCam, un de ses instruments qui observe dans le proche infrarouge et est capable de déplacer la lumière des galaxies lointaines vers ces fréquences.
NIRCam a résolu des images de galaxies qui se sont révélées être en fait de grandes galaxies, mais entourées de petites galaxies proches interagissant ou même entrant en collision.
Saviez-vous ?
L’émission Lyman-α est une lumière émise à une longueur d’onde de 121,567 nanomètres lorsque l’électron dans un atome d’hydrogène excité passe d’un état excité dans l’orbitale n=2 à son état fondamental n=1 (l’état d’énergie le plus bas que l’atome puisse avoir). La physique quantique dicte que les électrons ne peuvent exister que dans des états énergétiques très spécifiques, ce qui signifie que certaines transitions énergétiques – comme lorsque l’électron d’un atome d’hydrogène passe de l’orbitale n = 2 à n = 1 – peuvent être identifiées par la longueur d’onde de l’hydrogène. atome. la lumière émise lors de cette transition. L’émission Lyman-α est importante dans de nombreuses branches de l’astronomie, en partie parce que l’hydrogène est très abondant dans l’univers, et aussi parce que l’hydrogène est généralement excité par des processus énergétiques tels que la formation active sur l’orbite stellaire. En conséquence, l’émission Lyman-α peut être utilisée comme signe de formation active d’étoiles. © ESA
L’équipe derrière la publication Astronomie naturelle a ensuite utilisé des simulations informatiques pour reproduire les phénomènes se produisant au niveau de ces galaxies et, comme l’explique un communiqué de l’ESA, ses membres “ ont découvert que l’accumulation rapide de masse stellaire due aux fusions de galaxies entraînait à la fois une forte émission d’hydrogène et facilitait la fuite de ce rayonnement par des canaux dégagés de l’abondant gaz neutre. Le taux élevé de fusion de galaxies plus petites, jusqu’alors inobservées, a ainsi fourni une solution convaincante au mystère de longue date de l’émission précoce inexpliquée d’hydrogène.
L’équipe prévoit des observations de suivi avec des galaxies à différents stades de fusion pour mieux comprendre comment les émissions d’hydrogène sont émises par ces systèmes en évolution. À terme, cela leur permettra d’améliorer notre compréhension de l’évolution des galaxies. ».
Il est plus clair que les collisions rapprochées entre plusieurs galaxies naines et grandes galaxies, initialement entourées d’un halo d’hydrogène neutre, ont provoqué une ionisation de ce halo, créant une bulle ionisée transparente aux émissions alpha d’hydrogène provenant de la formation fébrile de jeunes étoiles en ces galaxies. galaxies.
