Le télescope Webb prouve que les galaxies ont transformé l’univers primitif

Dans l’univers primitif, le gaz entre les étoiles et les galaxies était opaque – la lumière stellaire énergétique ne pouvait pas le pénétrer. Mais 1 milliard d’années après le big bang, le gaz était devenu complètement transparent. Pourquoi? De nouvelles données du télescope spatial James Webb de la NASA en ont identifié la raison : les étoiles des galaxies ont émis suffisamment de lumière pour chauffer et ioniser le gaz qui les entoure, éclairant notre vision collective sur des centaines de millions d’années.

Les résultats, d’une équipe de recherche dirigée par Simon Lilly de l’ETH Zürich en Suisse, sont les connaissances les plus récentes sur une période connue sous le nom d’ère de la réionisation, lorsque l’univers a subi des changements spectaculaires. Après le big bang, le gaz dans l’univers était incroyablement chaud et dense. Pendant des centaines de millions d’années, le gaz s’est refroidi. Ensuite, l’univers a appuyé sur « répéter ». Le gaz est redevenu chaud et ionisé, probablement en raison de la formation des premières étoiles dans les galaxies, et au cours de millions d’années, il est devenu transparent.

Les chercheurs ont longtemps cherché des preuves définitives pour expliquer ces transformations. Les nouveaux résultats tirent effectivement le rideau à la fin de cette période de réionisation. « Non seulement Webb montre clairement que ces régions transparentes se trouvent autour des galaxies, mais nous avons également mesuré leur taille », a expliqué Daichi Kashino de l’Université de Nagoya au Japon, l’auteur principal du premier article de l’équipe. « Avec les données de Webb, nous voyons des galaxies réioniser le gaz qui les entoure. »

Ces régions de gaz transparent sont gigantesques comparées aux galaxies – imaginez une montgolfière avec un pois suspendu à l’intérieur. Les données de Webb montrent que ces galaxies relativement minuscules ont entraîné la réionisation, dégageant des régions massives de l’espace autour d’elles. Au cours des cent millions d’années suivantes, ces « bulles » transparentes ont continué à grossir de plus en plus, finissant par fusionner et rendant l’univers entier transparent.

L’équipe de Lilly a intentionnellement ciblé un moment juste avant la fin de l’ère de la réionisation, lorsque l’univers n’était pas tout à fait clair et pas tout à fait opaque – il contenait un patchwork de gaz dans divers états. Les scientifiques ont dirigé Webb en direction d’un quasar – un trou noir supermassif actif extrêmement lumineux qui agit comme une énorme lampe de poche – mettant en évidence le gaz entre le quasar et nos télescopes. (Trouvez-le au centre de cette vue : il est minuscule et rose avec six pointes de diffraction proéminentes.)

Au fur et à mesure que la lumière du quasar voyageait vers nous à travers différentes zones de gaz, elle était soit absorbée par un gaz opaque, soit se déplaçait librement à travers un gaz transparent. Les résultats révolutionnaires de l’équipe n’ont été possibles qu’en associant les données de Webb aux observations du quasar central de l’observatoire WM Keck à Hawaï, du très grand télescope de l’Observatoire européen austral et du télescope Magellan de l’observatoire Las Campanas, tous deux au Chili.

« En éclairant le gaz le long de notre ligne de visée, le quasar nous donne des informations détaillées sur la composition et l’état du gaz », a expliqué Anna-Christina Eilers du MIT à Cambridge, Massachusetts, auteur principal d’un autre article d’équipe.

Les chercheurs ont ensuite utilisé Webb pour identifier les galaxies proches de cette ligne de visée et ont montré que les galaxies sont généralement entourées de régions transparentes d’environ 2 millions d’années-lumière de rayon. En d’autres termes, Webb a vu des galaxies en train de nettoyer l’espace autour d’elles à la fin de l’ère de la réionisation. Pour mettre cela en perspective, la zone que ces galaxies ont dégagée est approximativement à la même distance que l’espace entre notre galaxie de la Voie lactée et notre voisine la plus proche, Andromède.

Jusqu’à présent, les chercheurs ne disposaient pas de cette preuve définitive de la cause de la réionisation – avant Webb, ils ne savaient pas exactement ce qui en était responsable.

A quoi ressemblent ces galaxies ? « Ils sont plus chaotiques que ceux de l’univers voisin », a expliqué Jorryt Matthee, également de l’ETH Zürich et auteur principal du deuxième article de l’équipe. « Webb montre qu’ils formaient activement des étoiles et qu’ils devaient lancer de nombreuses supernovae. Ils avaient une jeunesse plutôt aventureuse ! »

En cours de route, Eilers a utilisé les données de Webb pour confirmer que le trou noir dans le quasar au centre de ce champ est le plus massif actuellement connu dans l’univers primitif, pesant 10 milliards de fois la masse du Soleil. « Nous ne pouvons toujours pas expliquer comment les quasars ont pu devenir si grands si tôt dans l’histoire de l’univers », a-t-elle partagé. « C’est une autre énigme à résoudre ! » Les images exquises de Webb n’ont également révélé aucune preuve que la lumière du quasar avait été lentille gravitationnelle, garantissant que les mesures de masse sont définitives.

L’équipe se plongera bientôt dans la recherche sur les galaxies dans cinq champs supplémentaires, chacun ancré par un quasar central. Les résultats de Webb du premier champ étaient si clairs qu’ils étaient impatients de les partager. « Nous nous attendions à identifier quelques dizaines de galaxies qui existaient à l’ère de la réionisation, mais nous avons pu facilement en identifier 117 », a expliqué Kashino. « Webb a dépassé nos attentes. »

L’équipe de recherche de Lilly, les galaxies à ligne d’émission et le gaz intergalactique à l’époque de la réionisation (EIGER), a démontré le pouvoir unique de combiner des images conventionnelles de Webb NIRCam (Near-Infrared Camera) avec les données du mode de spectroscopie sans fente à champ large du même instrument, qui donne un spectre de chaque objet dans les images, transformant Webb en ce que l’équipe appelle une « machine à redshift spectroscopique spectaculaire ».

Les premières publications de l’équipe comprennent « EIGER I. un grand échantillon de [O iii]-des galaxies émettrices à 5,3 dirigées par Kashino, « EIGER II. première caractérisation spectroscopique des étoiles jeunes et gaz ionisé associés à Hβ fort et [OIII] raie-émission dans les galaxies à z = 5—7 avec JWST, «  dirigé par Matthee, et « Observations EIGER III. JWST/NIRCam du quasar ultra-lumineux à décalage vers le rouge élevé J0100+2802, » dirigé par Eilers, et sera publié dans Le Journal Astrophysique le 12 juin.