Jusqu’à récemment, les astronomes ne pouvaient pas observer les premières étoiles et galaxies qui se sont formées dans l’Univers. Cela s’est produit pendant ce que l’on appelle «l’âge des ténèbres cosmiques», une période qui s’est déroulée entre 380 000 et 1 milliard d’années après le Big Bang. Grâce à des instruments de nouvelle génération comme le Télescope spatial James Webb (JWST), des méthodes et des logiciels améliorés et des mises à jour des observatoires existants, les astronomes percent enfin le voile de cette ère et découvrent comment l’Univers tel que nous le connaissons a commencé.
Cela inclut de nouvelles observations du Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) au Chili, qui a obtenu des images d’une pépinière stellaire à l’intérieur d’une galaxie à environ 13,2 milliards d’années-lumière dans la constellation de l’Éridan. Cette galaxie a une valeur de décalage vers le rouge de plus de 8,3, correspondant au moment où l’Univers avait moins d’un milliard d’années. Les images ont discerné les sites de formation d’étoiles et de possible mort d’étoiles à l’intérieur d’une nébuleuse (MACS0416_Y1) située dans cette galaxie. Cela représente une étape majeure pour l’astronomie car il s’agit de la distance la plus éloignée à laquelle de telles structures ont été observées dans notre Univers.
L’équipe était dirigée par Yoichi Tamura, un étudiant diplômé en astronomie de l’Université de Nagoya. Il a été rejoint par des chercheurs de l’Observatoire astronomique national du Japon (NAOJ), du Waseda Research Institute for Science and Engineering, du Tomonaga Center for the History of the Universe (TCHoU), du Cosmic Dawn Center (DAWN), du DTU-Space, le Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE), le Research Center for the Early Universe, la Frontier Science and Social Co-creation Initiative (FSSI), le Research Center for Statistical Machine Learning et plusieurs universités. L’article décrivant leurs découvertes est paru récemment dans Le Journal Astrophysique.
Au cours de cet âge sombre cosmique, l’univers était imprégné de nuages d’hydrogène neutre, et les seules sources de lumière étaient les radiations reliques laissées par le Big Bang – visibles aujourd’hui sous le nom de fond cosmique de micro-ondes (CMB) – et les radiations créées par la réionisation de hydrogène. Cela s’est produit comme la première population d’étoiles (Population III), qui étaient très brillantes et chaudes selon les normes modernes, pompant d’énormes quantités d’énergie ionisante. Cela a conduit à l’époque de la réionisation, lorsque l’Univers est devenu transparent et que ses structures sont devenues visibles pour les télescopes modernes.
Dans ce cas, l’équipe a précédemment détecté des ondes radio émises par l’oxygène et la poussière – deux composants du milieu interstellaire (ISM) et des nébuleuses stellaires – qui absorbaient le rayonnement de la naissance de nouvelles étoiles. Cependant, leurs observations initiales manquaient de résolution pour mener des observations détaillées qui auraient révélé la distribution de la poussière et du gaz et la structure de la nébuleuse. À cette fin, l’équipe a utilisé ALMA pour observer MACS0416_Y1 pendant 28 heures, ce qui a révélé que les régions de signal de poussière et d’émission d’oxygène sont intimement liées.
Les images publiées par l’équipe (illustrées ci-dessus) affichent les seules émissions de poussière d’ALMA (à droite), tandis que l’image de gauche montre des données d’émission spécifiques combinées à la lumière des étoiles imagée par le télescope spatial Hubble. La poussière est représentée par le rouge, l’oxygène est représenté par le vert et la lumière des étoiles est représentée en bleu. La cavité allongée verticalement, qui pourrait être une superbulle, est visible au centre de l’image d’émission de poussière sur la droite – apparaissant comme une section noire de forme oblongue.
Takuya Hashimoto, un astronome de l’Université de Tsukuba et co-auteur de l’article, a décrit les défis d’obtenir ces observations dans un récent communiqué de presse du NOAJ, en disant : « Cela correspond à capturer la lumière extrêmement faible émise par deux lucioles situées à 3 centimètres à part sur le sommet du mont Fuji vu de Tokyo, et être capable de distinguer ces deux lucioles.
Leurs résultats suggèrent un processus où les étoiles nouvellement formées dans la nébuleuse ionisent le gaz environnant. De plus, l’équipe a détecté une cavité massive s’étendant sur environ 1 000 années-lumière dans les régions dominées par la poussière. Cette cavité pourrait être une «superbulle», créée lorsque plusieurs étoiles éphémères s’effondrent, entraînant des supernovae successives qui dispersent les nébuleuses avec leurs ondes de choc. Ceci est cohérent avec les mesures du mouvement du gaz dans les nébuleuses, qui indiquent un environnement où de nombreuses étoiles auraient pu se former ensemble en amas massifs.
Ces résultats offrent un aperçu de ce que les futures observations utilisant les télescopes de nouvelle génération pourraient découvrir. Comme Tamura l’a expliqué :
“À l’avenir, des informations plus détaillées pourront être obtenues en effectuant des observations à haute résolution de ces amas d’étoiles eux-mêmes, à l’aide d’instruments tels que le télescope spatial James Webb et les télescopes extrêmement grands prévus.”
Lectures complémentaires : NAOJ, Le Journal Astrophysique
