Dans leur quête pour apprendre comment notre univers a vu le jour, les scientifiques ont sondé très profondément dans l'espace (et donc très loin dans le temps). En fin de compte, leur objectif est de déterminer quand les premières galaxies de notre Univers se sont formées et quel effet elles ont eu sur l'évolution cosmique. Les efforts récents pour localiser ces premières formations ont sondé jusqu'à 13 milliards d'années-lumière de la Terre, soit environ 1 milliard d'années après le Big Bang.
À partir de cela, les scientifiques sont maintenant en mesure d'étudier comment les premières galaxies ont affecté la matière autour d'elles - en particulier, la réionisation des atomes neutres. Malheureusement, la plupart des premières galaxies sont très faibles, ce qui rend difficile l'étude de leur intérieur. Mais grâce à une récente enquête menée par une équipe internationale d'astronomes, une galaxie massive plus lumineuse a été repérée qui pourrait fournir un aperçu clair de la façon dont les premières galaxies ont conduit à la réionisation.
L'étude qui détaille leurs résultats, intitulée «Propriétés ISM d'une galaxie gigantesque formant une étoile poussiéreuse découverte à z ~ 7 “, a été récemment publié dans The Astrophysical Journal Letters.Dirigée par des chercheurs de l'Institut Max Planck de radioastronomie de Bonn, en Allemagne, l'équipe s'est appuyée sur les données du levé du South Pole Telescope (SPT) -SZ et d'ALMA pour repérer une galaxie qui existait il y a 13 milliards d'années (800 millions d'années seulement après le Big Bang).
Conformément au modèle de cosmologie du Big Bang, la réionisation fait référence au processus qui a eu lieu après la période connue sous le nom de «l'âge des ténèbres». Cela s'est produit entre 380 000 et 150 millions d'années après le Big Bang, où la plupart des photons de l'Univers interagissaient avec les électrons et les protons. En conséquence, le rayonnement de cette période est indétectable par nos instruments actuels - d'où le nom.
Juste avant cette période, la «recombinaison» s'est produite, où des atomes d'hydrogène et d'hélium ont commencé à se former. Initialement ionisées (sans électrons liés à leurs noyaux), ces molécules ont progressivement capturé des ions à mesure que l'Univers se refroidissait, devenant neutre. Au cours de la période qui a suivi - c'est-à-dire entre 150 millions et 1 milliard d'années après le Big Bang - la structure à grande échelle de l'Univers a commencé à se former.
Intrinsèque à cela était le processus de réionisation, où les premières étoiles et les quasars se sont formés et leur rayonnement a réionisé l'univers environnant. Il est donc clair pourquoi les astronomes veulent sonder cette ère de l'Univers. En observant les premières étoiles et galaxies et leurs effets sur le cosmos, les astronomes auront une idée plus claire de la façon dont cette première période a conduit à l'Univers tel que nous le connaissons aujourd'hui.
Heureusement pour l'équipe de recherche, les galaxies massives formant des étoiles de cette période sont connues pour contenir beaucoup de poussière. Bien que très faibles dans la bande optique, ces galaxies émettent un fort rayonnement à des longueurs d'onde submillimétriques, ce qui les rend détectables à l'aide des télescopes avancés d'aujourd'hui - y compris le télescope du pôle Sud (SPT), l'expérience Atacama Pathfinder (APEX) et le réseau de grands millimètres d'Atacama (ALMA) ).
Pour leur étude, Strandet et Weiss se sont appuyés sur les données du SPT pour détecter une série de galaxies poussiéreuses du début de l'Univers. Comme Maria Strandet et Axel Weiss de l'Institut Max Planck de radioastronomie (et l'auteur principal et les co-auteurs de l'étude, respectivement) ont déclaré à Space Magazine par e-mail:
«Nous avons utilisé une lumière d'environ 1 mm de longueur d'onde, qui peut être observée par des télescopes de mm comme SPT, APEX ou ALMA. A cette longueur d'onde, les photons sont produits par le rayonnement thermique de la poussière. La beauté de l'utilisation de cette longue longueur d'onde est que, pour une large plage de décalage vers le rouge (rétrospective), la gradation des galaxies [causée] par l'augmentation de la distance est compensée par le décalage vers le rouge - de sorte que l'intensité observée est indépendante du décalage vers le rouge. En effet, pour les galaxies à décalage vers le rouge plus élevé, on regarde des longueurs d'onde intrinsèquement plus courtes (de (1 + z)) où le rayonnement est plus fort pour un spectre thermique comme le spectre des poussières. »
Cela a été suivi par des données d'ALMA, que l'équipe a utilisées pour déterminer la distance des galaxies en examinant la longueur d'onde décalée vers le rouge des molécules de monoxyde de carbone dans leurs milieux interstellaires (ISM). De toutes les données qu'ils ont collectées, ils ont pu limiter les propriétés de l'une de ces galaxies - SPT0311-58 - en observant ses raies spectrales. Ce faisant, ils ont déterminé que cette galaxie existait à peine 760 millions d'années après le Big Bang.
"Étant donné que la puissance du signal à 1 mm est indépendante du décalage vers le rouge (rétrospective), nous n'avons pas d'indice a priori si un objet est relativement proche (au sens cosmologique) ou à l'époque de la réionisation", ont-ils déclaré. «C'est pourquoi nous avons entrepris une grande enquête pour déterminer les décalages vers le rouge via l'émission de lignées moléculaires à l'aide d'ALMA. SPT0311-58 s'avère être l'objet à décalage vers le rouge le plus élevé découvert dans cette étude et en fait la galaxie en formation d'étoiles massives poussiéreuse la plus éloignée découverte à ce jour.
D'après leurs observations, ils ont également déterminé que le SPT0311-58 avait une masse d'environ 330 milliards de masses solaires, soit environ 66 fois plus que la galaxie de la Voie lactée (qui compte environ 5 milliards de masses solaires). Ils ont également estimé qu'elle formait de nouvelles étoiles à un rythme de plusieurs milliers par an, ce qui pourrait être le cas pour les galaxies voisines datées de cette période.
Cet objet rare et éloigné est l'un des meilleurs candidats à ce jour pour étudier à quoi ressemblait le premier Univers et comment il a évolué depuis. Cela permettra aux astronomes et aux cosmologistes de tester les bases théoriques de la théorie du Big Bang. Comme Strandet et Weiss ont raconté à Space Magazine leur découverte:
«Ces objets sont importants pour comprendre l'évolution des galaxies dans leur ensemble car les grandes quantités de poussière déjà présentes dans cette source, seulement 760 millions d'années après le Big Bang, signifient qu'il s'agit d'un objet extrêmement massif. Le simple fait que de telles galaxies massives existaient déjà lorsque l'Univers était encore si jeune impose de fortes contraintes à notre compréhension de l'accumulation de masse de galaxies. De plus, la poussière doit se former en très peu de temps, ce qui donne des informations supplémentaires sur la production de poussière de la première population stellaire. »
La capacité de regarder plus profondément dans l'espace, et plus loin dans le temps, a conduit à de nombreuses découvertes surprenantes récemment. Et ceux-ci ont à leur tour remis en question certaines de nos hypothèses sur ce qui s'est passé dans l'Univers et quand. Et à la fin, ils aident les scientifiques à créer un compte rendu plus détaillé et complet de l'évolution cosmique. Un jour, nous pourrons peut-être même sonder les premiers moments de l'Univers et regarder la création en action!
