L'univers s'est allumé plus vite que prévu : le JWST bouscule les modèles

L’histoire de l’univers ne colle pas tout à fait. Nous pensions savoir quand les premières étoiles et galaxies ont commencé à éclairer le cosmos obscur. De nouveaux télescopes ont sondé plus profondément, plus loin dans le passé. Ce qu’ils ont découvert est stupéfiant. L’univers a démarré beaucoup plus vite que nos modèles ne l’avaient prédit.

Avant le JWST, j’imaginais l’aube cosmique comme un lent éveil. Le Big Bang a donné naissance à l’univers, puis l’a plongé dans les Âges Sombres Cosmiques. Cette ère a duré des centaines de millions d’années. Un plasma chaud et dense remplissait l’univers. Il s’est refroidi. Les électrons se sont combinés aux protons, formant des atomes d’hydrogène et d’hélium neutres.

Ce gaz neutre a rendu l’univers opaque. Aucune étoile ni galaxie n’existait. C’était une vaste étendue froide de gaz neutre. Les scientifiques appellent cela l’« Époque de la Réionisation ». C’est ce que nous essayons de comprendre.

Les télescopes sont des machines à remonter le temps. La lumière voyage à une vitesse finie. Observer des objets lointains revient à capter la lumière émise il y a des milliards d’années. Nous voyons l’univers tel qu’il était. Cela nous aide à déterminer le « OÙ » et le « QUAND » de l’aube cosmique. Les astronomes de Hubble et du JWST sont les acteurs de cette enquête cosmique.

Les premiers indices de Hubble d’une aube précoce

Pendant des décennies, Hubble a repoussé les limites de notre vision. Il nous a offert nos premiers véritables aperçus de l’univers primitif. Au milieu des années 2000, Hubble a découvert de faibles galaxies lointaines. Elles sont apparues à une époque où l’univers avait moins d’un milliard d’années. Ses relevés profonds, comme le Hubble Ultra Deep Field, ont révélé des milliers de galaxies.

En 2016, Hubble, grâce au programme Frontier Fields, a révélé des galaxies dont le décalage vers le rouge atteignait z~11. Leur lumière a voyagé pendant plus de 13 milliards d’années pour nous parvenir. Ces minuscules galaxies en formation sont apparues étonnamment nombreuses. Le Dr Richard Ellis de l’UCL a dirigé cette recherche. Cela suggérait que la formation d’étoiles était plus efficace qu’on ne le pensait initialement.

Les capacités infrarouges de Hubble étaient limitées. Il détectait à peine la lumière décalée vers le rouge des objets lointains. Nous ne voyions que la pointe la plus brillante de l’iceberg. Pourtant, la quantité de ces objets primitifs laissait présager quelque chose. L’univers semblait s’illuminer plus vite que les modèles ne le suggéraient. J’ai été surpris par le nombre de galaxies découvertes par Hubble, compte tenu de ses limites.

L'image emblématique du Hubble Ultra Deep Field capture des milliers de galaxies, dont certaines remontent à moins d'un milliard d'années après le Big Bang, offrant des aperçus cruciaux sur la rapidité étonnante de la formation d'étoiles dans l'univers primitif. (Source: esawebb.org)

Le JWST dévoile une enfance inattendue et lumineuse

Puis vint le télescope spatial James Webb. Lancé le 25 décembre 2021, le JWST possédait une sensibilité infrarouge inégalée. Son miroir primaire de 6,5 mètres est bien plus grand que les 2,4 mètres de Hubble. Il a collecté beaucoup plus de lumière. Il a également sondé plus profondément le spectre infrarouge. C’est vital pour observer des objets fortement décalés vers le rouge.

Les premières images en couleur du JWST sont arrivées en juillet 2022. Elles ont immédiatement remodelé notre compréhension. En quelques mois, des relevés comme CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science) et JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) ont fait des découvertes incroyables. Les chercheurs ont trouvé des galaxies avec des décalages vers le rouge z > 10, certaines même au-delà de z = 13. GLASS-z13 et JADES-GS-z13-0, par exemple, figuraient parmi les plus anciennes confirmées. La lumière de ces galaxies a été émise lorsque l’univers n’avait qu’environ 330 millions d’années.

Le véritable choc n’était pas seulement de trouver ces galaxies. C’était leur taille et leur luminosité. La Dre Emma Chapman de Nottingham a exprimé une surprise collective. Ces galaxies primitives étaient bien plus brillantes et massives que ce que les modèles standards prédisaient. Certaines avaient des masses stellaires équivalentes à des milliards de soleils. Cela suggère qu’elles ont formé des étoiles très rapidement.

J’ai eu mon moment « Eurêka ! » en voyant ces images de galaxies. Les modèles prédisaient une croissance lente et progressive. Mais ces galaxies étaient comme des bambins pleinement formés, pas des nouveau-nés. C’était comme regarder un film accéléré. L’univers a produit des étoiles et des galaxies à un rythme étonnant. Cela a remis en question le modèle Lambda-CDM. Cela suggérait un processus beaucoup plus rapide.

L’énigme de la réionisation : où est passée toute la lumière ionisante ?

Le JWST nous a montré un univers grouillant de galaxies primitives brillantes. Mais une autre pièce du puzzle pose un nouveau défi. La réionisation est le processus par lequel l’univers est passé d’un état majoritairement neutre à un état majoritairement ionisé d’hydrogène. La lumière ultraviolette des premières étoiles et des quasars a été le moteur de ce processus. L’étudier nous aide à comprendre la production totale de photons ionisants.

Les astronomes utilisent des radiotélescopes comme le Low-Frequency Array (LOFAR) en Europe et le Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) en Afrique du Sud. Ces instruments recherchent le faible signal de 21 cm de l’hydrogène neutre. Ce signal sonde directement les Âges Sombres. Leurs observations suggèrent que la réionisation s’est largement achevée autour d’un décalage vers le rouge z6 à z7. Cela signifie qu’elle s’est terminée lorsque l’univers avait environ 800 à 900 millions d’années.

Le télescope spatial James Webb, lancé en décembre 2021, est entièrement déployé dans l'espace. Son miroir primaire de 6,5 mètres, significativement plus grand que celui de Hubble, lui confère une sensibilité infrarouge inégalée pour observer les objets fortement décalés vers le rouge et les galaxies les plus anciennes de l'univers. (Source: space.com)

C’est là que réside la contradiction. Le JWST montre de nombreuses galaxies massives et brillantes à z > 10. Alors pourquoi la réionisation a-t-elle pris si longtemps ? Ces galaxies primitives auraient dû produire un flot de photons ionisants. La Dre Anastasia Fialkov, cosmologiste à Cambridge, souligne cette divergence. Les nombreuses sources lumineuses du JWST impliquent une réionisation plus rapide. Mais les observations de LOFAR à 21 cm suggèrent un processus plus long.

Peut-être que les galaxies primitives ont été très efficaces pour former des étoiles. Mais peut-être que leurs photons ionisants se sont échappés dans l’espace moins efficacement. Une autre idée : les premières étoiles, les étoiles de Population III, ont joué un rôle plus important. Ces étoiles hypothétiques étaient massives, dépourvues de métaux et de courte durée de vie. Elles ont produit un immense rayonnement ionisant. Elles sont trop faibles pour être vues par le JWST. L’« énigme de la réionisation » reste un domaine de recherche majeur. Elle nous pousse à repenser la formation des galaxies primitives et son impact sur le gaz intergalactique.

FAQ

Qu’est-ce que l’aube cosmique ? L’aube cosmique est le moment où les premières étoiles et galaxies se sont allumées. Cela a mis fin aux « Âges Sombres » de l’univers. Leur lumière a ensuite ionisé le gaz d’hydrogène neutre remplissant l’espace.

Comment les télescopes voient-ils si loin dans le passé ? Les télescopes agissent comme des machines à remonter le temps car la lumière voyage à une vitesse finie. Lorsque les astronomes observent des objets lointains, ils capturent la lumière qui a été émise il y a des milliards d’années. Cela nous montre l’univers dans son enfance.

Quelle est la principale surprise des découvertes du JWST ? Le JWST a trouvé de nombreuses galaxies massives et brillantes à des époques très précoces (z > 10). Cela montre que la formation d’étoiles et la croissance des galaxies se sont produites beaucoup plus rapidement et plus tôt. Les modèles précédents ne l’avaient pas prédit.

Qu’étaient les « âges sombres » de l’univers ? Les Âges Sombres sont venus après le Big Bang. Ils ont duré des centaines de millions d’années. L’univers était alors rempli de gaz d’hydrogène et d’hélium neutres. Aucune étoile ni galaxie n’existait encore pour produire de la lumière.

L’avenir de la première lumière

Les découvertes du JWST ont ouvert un nouveau chapitre en cosmologie. Elles ont forcé les astronomes à repenser la formation et l’évolution des galaxies. Nous nous interrogeons sur la rapidité avec laquelle l’univers a assemblé ses premières structures. Cela remet en question notre compréhension des halos de matière noire et de l’efficacité de la formation d’étoiles. Cela suggère que nos modèles de l’univers primitif pourraient nécessiter d’importants ajustements.

Le LOFAR (Low-Frequency Array) est un vaste réseau de radiotélescopes à travers l'Europe, conçu pour détecter de faibles signaux radio de l'univers primitif. Ses observations à 21 cm de l'hydrogène neutre fournissent des données cruciales sur l'époque de la réionisation, ce qui crée une divergence majeure avec les découvertes du JWST sur la formation des galaxies primitives. (Source: observatoiredeparis.psl.eu)

Les futures observations du JWST repousseront encore ces limites. Les scientifiques rechercheront des galaxies encore plus anciennes. Ils chercheront également des preuves directes des étoiles de Population III. Les radiotélescopes de nouvelle génération, comme le Square Kilometre Array (SKA), mesureront le signal de 21 cm avec plus de précision. Cela aidera à résoudre l’énigme de la réionisation. L’enfance de l’univers est bien plus dynamique et complexe que nous ne l’imaginions. Ce n’est pas seulement un ajustement de nos modèles. C’est un changement fondamental dans la façon dont nous percevons l’histoire cosmique, nous forçant à réécrire les premiers chapitres de l’univers.

Le Square Kilometre Array (SKA) est un projet international ambitieux visant à construire le plus grand radiotélescope du monde, avec des sites en Australie et en Afrique du Sud. Une fois achevé, son vaste réseau de paraboles et d'antennes explorera les époques les plus anciennes de l'univers, y compris l'« aube cosmique » et la période de réionisation. (Source: space.com)

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