Selon le modèle de cosmologie le plus largement accepté, l’Univers a commencé il y a environ 13,8 milliards d’années avec le Big Bang. Lorsque l’Univers s’est refroidi, les lois fondamentales de la physique (la force électrofaible, la force nucléaire forte et la gravité) et les premiers atomes d’hydrogène se sont formés. 370 000 ans après le Big Bang, l’Univers était imprégné d’hydrogène neutre et de très peu de photons (l’âge des ténèbres cosmiques). Au cours de «l’époque de réionisation» qui a suivi, les premières étoiles et galaxies se sont formées, reconstituant l’hydrogène neutre et rendant l’Univers transparent.
Pour les astronomes, l’Epoque de Réionisation recèle encore de nombreux mystères, comme lors de la formation de certains éléments lourds. Cela inclut l’élément carbone, un ingrédient clé dans la formation des planètes, un élément important dans les processus organiques et la base de la vie telle que nous la connaissons. Selon une nouvelle étude du Centre d’excellence ARC pour l’astrophysique du ciel en 3 dimensions (ASTRO 3D), il semble que le carbone triplement ionisé (C iv) ait existé bien plus tôt qu’on ne le pensait. Leurs découvertes pourraient avoir des implications drastiques pour notre compréhension de l’évolution cosmique.
ASTRO 3D est un effort collaboratif dirigé par l’Université nationale d’Australie (ANU), comprenant six universités australiennes et de nombreux partenaires internationaux. Ils ont été rejoints par des chercheurs de l’Observatoire astronomique de Trieste, de l’Institut de physique fondamentale de l’univers (IFPU), de l’Institut Max Planck d’astronomie (MPIA), de l’Institut MIT Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale, de l’Institut Kavli de cosmologie, l’Institut Leibniz d’Astrophysique de Potsdam (AIP), l’Observatoire Gemini et la Scuola Normale Superiore. L’article décrivant leurs recherches est récemment paru dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society,
Au début de l’Univers, les jeunes étoiles ont fusionné de l’hydrogène et de l’hélium dans leur intérieur pour créer des éléments plus lourds (comme des métaux). Au fur et à mesure que ces étoiles se sont effondrées et sont devenues des supernovas, ces éléments ont été dispersés dans tout le cosmos et sont devenus une partie des nuages de gaz et de poussière chauds entourant les galaxies (alias halos galactiques). Lorsqu’ils observent le cosmos, les astronomes utilisent le C iv dans ces nuages (“carbone chaud”) pour tracer le contenu riche en métaux de ces halos afin de mieux comprendre comment les galaxies ont évolué.
Dans des études précédentes, les astronomes ont observé que la densité du carbone chauffé par le rayonnement galactique (« carbone chaud ») a diminué lentement entre environ 1,3 et 4 milliards d’années après le Big Bang, puis a commencé à décliner rapidement. Cependant, la cause de ce ralentissement soudain n’a jamais été comprise. Pour leur étude, l’équipe s’est appuyée sur 260 échantillons d’absorbeurs issus de 42 mesures de spectres obtenues à l’aide du spectrographe à résolution intermédiaire XShooter sur le Very Large Telescope (VLT) de l’ESO à l’Observatoire de Paranal au Chili.
La plupart de ces mesures faisaient partie de l’enquête héritée XQR-30, une campagne qui a observé 30 quasars à décalage vers le rouge à environ 13 milliards d’années-lumière. Alors que la lumière de ces quasars a parcouru 13 milliards d’années pour nous atteindre, elle a traversé les halos entourant les galaxies intermédiaires. Une partie de cette lumière est absorbée dans le processus, produisant des spectres qui révèlent des choses sur la température et la composition chimique des halos. Cela permet aux astronomes de suivre le développement historique de l’Univers.
Ces mesures ont permis à l’équipe de mesurer la densité de carbone dans les gaz entourant les anciennes galaxies qui existaient environ 1 milliard d’années après le Big Bang. À partir de là, ils ont découvert que la quantité de “carbone chaud” avait soudainement augmenté d’un facteur cinq en seulement 300 millions d’années. Une possibilité, suggèrent-ils, est que l’augmentation initiale autour des galaxies soit simplement due au fait qu’il y en avait plus dans l’Univers primitif.
Le Dr Rebecca Davies, associée de recherche postdoctorale ASTRO 3D à l’Université de technologie de Swinburne, était l’auteur principal de l’article. Comme elle l’a dit dans un récent communiqué de presse d’ASTRO 3D :
“Nous avons constaté que la fraction de carbone dans le gaz chaud a augmenté rapidement il y a environ 13 milliards d’années, ce qui peut être lié au réchauffement à grande échelle du gaz associé au phénomène connu sous le nom d'”époque de réionisation”. C’est ce que nous avons fait ici. Ainsi, nous présentons deux interprétations potentielles de cette évolution rapide. Pendant la période où les premières étoiles et galaxies se forment, beaucoup d’éléments lourds se forment parce que nous n’avions jamais eu de carbone avant d’avoir des étoiles.
Comme les astronomes l’ont compris depuis un certain temps, les premières étoiles de notre Univers n’étaient composées que d’hydrogène et d’hélium car les éléments plus lourds n’existaient qu’après que la première génération d’étoiles (Population III) soit devenue supernova. Les générations suivantes (Population I et II) se sont formées à partir de nuages de gaz contenant ces éléments, conduisant à de nouvelles étoiles avec des niveaux plus élevés de « métallicité », que les astronomes utilisent pour mesurer l’âge des étoiles. Sur la base de leurs résultats, Davies et son équipe ont considéré que la même lumière utilisée pour caractériser les halos galactiques provoquait également un échauffement rapide, conduisant à l’augmentation observée de
Cependant, Davies et son équipe ont également découvert que la quantité de « carbone froid » avait diminué au cours de la même période. Cela suggère que le carbone a connu deux phases d’évolution, y compris une augmentation rapide pendant l’époque de la réionisation, suivie d’un nivellement. Ces découvertes pourraient avoir des implications importantes pour l’étude de la réionisation, qui est essentielle pour comprendre comment et quand les premières étoiles ont produit les éléments à partir desquels les planètes et toute vie sont composées. Selon le professeur Ryan-Weber, chercheur en chef d’ASTRO 3D et deuxième auteur de l’étude, cette recherche va au cœur de la mission :
“Il répond à cet objectif clé : comment les éléments constitutifs de la vie – dans ce cas le carbone – ont-ils proliféré dans l’Univers ? En tant qu’êtres humains, nous nous efforçons de comprendre « d’où venons-nous ? C’est incroyable de penser que le code-barres de ces atomes de carbone vieux de 13 milliards d’années ait été imprimé sur des photons à une époque où la Terre n’existait même pas. Ces photons ont voyagé à travers l’Univers, dans le VLT, puis ont été utilisés pour développer une image de l’évolution de l’Univers.
Cette étude a également augmenté le nombre de quasars pour lesquels des données de haute qualité existent de 12 à 42, permettant enfin une mesure détaillée et précise de la densité de carbone. Il a également démontré l’efficacité des télescopes de l’Observatoire de Paranal et de leur suite avancée de spectrographes. Mais le plus intéressant est peut-être la façon dont ces découvertes anticipent ce que les astronomes verront lorsque les télescopes de la prochaine génération commenceront à sonder l’Univers primitif pour déterminer quand et comment tous ses éléments constitutifs ont émergé.
“L’étude fournit un ensemble de données héritées qui ne seront pas significativement améliorées jusqu’à ce que les télescopes de classe 30 m soient mis en ligne vers la fin de cette décennie”, a déclaré le professeur Ryan-Weber. “Des données de haute qualité provenant d’encore plus tôt dans l’Univers nécessiteront l’accès à des télescopes comme l’Extremely Large Telescope (ELT) actuellement en construction au Chili.”
“Nos résultats sont cohérents avec des études récentes montrant que la quantité d’hydrogène neutre dans l’espace intergalactique diminue rapidement à peu près au même moment”, a ajouté Davies. “Cette recherche ouvre également la voie à de futures investigations avec le Square Kilometre Array (SKA), qui vise à détecter directement les émissions d’hydrogène neutre au cours de cette phase clé de l’histoire de l’Univers.”
Lectures complémentaires : Astro3D, MNRAS
