Une découverte surprenante réalisée avec le télescope spatial Hubble de la NASA remet en question une explication majeure de la façon dont l’univers primitif est sorti de l’obscurité. Les résultats suggèrent que de puissantes explosions provenant d’étoiles mourantes pourraient en fait avoir interféré avec un processus que les scientifiques pensaient autrefois avoir aidé à conduire.
Une équipe de recherche internationale, comprenant des astronomes de l’Université du Michigan, a découvert que les vents puissants produits par l’explosion d’étoiles peuvent empêcher le rayonnement ultraviolet de s’échapper des galaxies. C’est le contraire de ce que prédisait une théorie largement acceptée, et cela pourrait changer la façon dont les scientifiques comprennent l’une des transformations les plus importantes de l’histoire cosmique.
La découverte, publiée dans Astronomie naturelleoffre de nouveaux indices sur la façon dont l’univers est devenu transparent à la lumière ultraviolette il y a environ 13 milliards d’années.
Comment l’Univers primitif a émergé de son brouillard cosmique
Au cours du premier milliard d’années qui ont suivi le Big Bang, de grandes quantités d’hydrogène neutre ont rempli l’espace entre les galaxies. Cet hydrogène formait une sorte de brouillard cosmique qui absorbait le rayonnement ultraviolet, empêchant cette lumière de voyager librement à travers l’univers.
Cela a changé au cours d’une période connue sous le nom de réionisation, qui a commencé il y a environ 13 milliards d’années. Le rayonnement intense des premières galaxies a progressivement transformé l’hydrogène en éliminant les électrons de ses atomes, laissant derrière lui des protons chargés positivement et des électrons libres.
À mesure que davantage d’hydrogène s’ioniserait, la lumière ultraviolette pourrait voyager beaucoup plus loin dans l’espace intergalactique. Cette transformation a contribué à établir l’univers relativement transparent que les astronomes observent aujourd’hui.
“Finalement, lorsqu’elle a ionisé la majorité de l’hydrogène remplissant l’espace intergalactique, ce fut la fin de la réionisation et nous voyons l’univers aujourd’hui”, a déclaré Cody Carr, chercheur postdoctoral au département d’astronomie de l’Université du Michigan. “Nous appelons la réionisation la dernière transition de phase majeure de l’univers.”
Malgré son énorme importance, les astronomes ne comprennent toujours pas exactement quels objets ont fourni le rayonnement responsable de la réionisation ni comment une quantité suffisante de ce rayonnement a réussi à s’échapper des premières galaxies.
“Nous ne savons pas exactement quels objets ont provoqué la réionisation ni comment elle a évolué”, a déclaré Carr, qui a mené et dirigé la recherche alors qu’il travaillait comme chercheur postdoctoral à l’Université du Zhejiang en Chine, avant de rejoindre l’Université du Michigan. “Nous savons que cela a eu lieu, mais nous n’avons pas de réponses complètes à ces questions.”
Hubble remet en question une théorie de pointe sur les étoiles explosives
Pendant des années, une explication importante s’est concentrée sur les supernovae, ces puissantes explosions qui se produisent lorsque certaines étoiles atteignent la fin de leur vie. Ces explosions peuvent générer d’énormes vents qui balayent les galaxies, poussant les gaz et autres matériaux vers l’extérieur.
Les scientifiques ont proposé que ces vents aient ouvert un chemin à travers le gaz entourant les jeunes étoiles, permettant ainsi au rayonnement ultraviolet de s’échapper dans l’espace entre les galaxies. Une fois à l’extérieur, ce rayonnement pourrait aider à briser l’hydrogène neutre responsable de l’ancien brouillard de l’univers.
Cependant, de nouvelles observations de Hubble suggèrent que cette explication pourrait faire reculer le processus.
Plutôt que d’ouvrir des voies permettant aux rayonnements de s’échapper, les chercheurs ont découvert que des vents galactiques plus forts étaient associés à moins de rayonnements ionisants s’échappant. Les observations indiquent que les vents générés par les supernovae peuvent en réalité rendre plus difficile la sortie du rayonnement d’une galaxie.
“Fondamentalement, la manière dont ces galaxies émettaient des rayonnements ionisants n’est pas ce que nous pensions”, a déclaré Carr.
Les résultats soutiennent une possibilité différente. Le rayonnement des étoiles jeunes et massives peut s’échapper de leurs galaxies avant que ces étoiles n’explosent en supernovae et ne génèrent de grands vents qui remodèlent l’environnement environnant.
“Nos observations montrent que ces photons s’échappent avant la formation des vents galactiques”, a déclaré Carr.
Les photons sont des paquets individuels d’énergie lumineuse. Dans ce cas, les chercheurs s’intéressent aux photons ultraviolets suffisamment énergétiques pour ioniser l’hydrogène, ce qui les rend essentiels pour comprendre comment l’univers primitif est devenu transparent.
Ce que Hubble a découvert dans les galaxies Starburst à proximité
Pour étudier comment les radiations s’échappent, l’équipe internationale a utilisé le télescope spatial Hubble pour examiner les galaxies en étoile proches. Ce sont des galaxies connaissant des périodes de formation d’étoiles exceptionnellement intenses, ce qui en fait des exemples modernes utiles du type de galaxies censées avoir contribué à la réionisation.
Hubble, une mission de la NASA lancée avec la contribution de l’Agence spatiale européenne, a permis aux chercheurs d’étudier en détail la lumière provenant de ces galaxies.
L’équipe a examiné leurs spectres, qui révèlent la quantité de lumière présente à différentes longueurs d’onde. En étudiant les modèles de ces spectres, les astronomes peuvent en apprendre davantage sur le gaz entourant les étoiles et déterminer à quelle vitesse il se déplace.
Le gaz absorbe des longueurs d’onde particulières de la lumière, créant des creux reconnaissables dans le spectre d’une galaxie. Les emplacements et les formes de ces creux fournissent des indices sur la vitesse et le mouvement des vents galactiques.
Lorsque les chercheurs ont comparé la vitesse du vent avec la quantité de rayonnements ionisants s’échappant de chaque galaxie, ils ont découvert une relation surprenante. Les galaxies avec les vents les plus rapides ont permis à la plus petite fraction de rayonnement ionisant de s’échapper.
Ce résultat remet directement en question l’hypothèse selon laquelle des vents plus forts élimineraient davantage de gaz et faciliteraient l’accès des radiations à l’espace intergalactique.
“Il semble que l’apport d’énergie des supernovae ait remué l’environnement et augmenté, plutôt que diminué, la couverture de gaz neutres et de poussières qui suppriment la fuite de rayonnements ionisants”, a déclaré Stephan McCandliss, auteur principal de l’étude et directeur du Centre des sciences astrophysiques de l’Université Johns Hopkins.
En d’autres termes, au lieu de dégager un chemin pour la lumière ultraviolette, l’énergie des étoiles qui explosent semble redistribuer les gaz et les poussières de manière à en bloquer davantage.
Les jeunes étoiles pourraient détenir la clé de la réionisation cosmique
Bien que les grands vents galactiques semblent supprimer les radiations qui s’échappent, des vents plus faibles et d’autres activités autour des jeunes étoiles pourraient encore contribuer à créer des ouvertures dans le gaz environnant.
Ces processus peuvent se produire avant les premières explosions de supernova, donnant aux radiations une chance de s’échapper lorsque les conditions sont plus favorables.
Les résultats suggèrent que les astronomes devraient peut-être accorder une plus grande attention à ce qui se passe au cours des premières étapes de la formation des étoiles, plutôt que de se concentrer principalement sur les effets des explosions d’étoiles.
Carr et ses collègues recherchent du temps d’observation supplémentaire avec Hubble pour examiner davantage de galaxies et déterminer si les mêmes modèles apparaissent ailleurs. D’autres observations pourraient aider à établir à quel point l’activité des jeunes étoiles est importante pour permettre aux rayonnements ionisants de s’échapper.
Les résultats ont également des implications pour les simulations informatiques de l’univers primitif. Ces simulations tentent de recréer la formation des galaxies, la façon dont les gaz se sont déplacés à travers elles et comment les radiations ont finalement transformé l’hydrogène remplissant l’espace intergalactique.
“Les supernovae jouent un rôle central dans les simulations hydrodynamiques cosmologiques qui expliquent comment les rayonnements ionisants s’échappent des galaxies”, a déclaré Renyue Cen, auteur principal de l’étude et professeur et directeur du Centre de cosmologie et d’astrophysique computationnelle de l’Université du Zhejiang. “Nos résultats soulignent la nécessité d’examiner comment le rayonnement et les vents des jeunes étoiles façonnent le gaz environnant avant l’explosion des premières supernovae.”
En tenant compte plus précisément de ces premières interactions entre les étoiles, le rayonnement et le gaz, les chercheurs pourraient être en mesure de construire de meilleurs modèles du déroulement de la réionisation.
Cette découverte ne règle pas encore la question de savoir ce qui a causé la dernière transition de phase majeure de l’univers. Cependant, cela fournit un nouvel indice important, suggérant que le rayonnement qui a contribué à dissiper l’ancien brouillard de l’univers aurait pu s’échapper des galaxies avant que de puissantes explosions stellaires ne commencent à modifier leur environnement.
Collaboration et financement internationaux en matière de recherche
La recherche a réuni près de 30 scientifiques provenant de plus d’une douzaine d’institutions à travers le monde. Sally Oey, professeur d’astronomie à l’Université du Michigan, a également contribué à l’étude.
Le projet a reçu un soutien financier supplémentaire de l’Université du Zhejiang, du programme provincial de soutien à la recherche de haut niveau du Zhejiang, de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, du ministère espagnol des Sciences, de l’Innovation et des Universités, du Fonds européen de développement régional et du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne.
La recherche a également été financée en partie par un financement fédéral de la NASA et de la National Science Foundation des États-Unis. Un soutien supplémentaire pour les observations du télescope spatial Hubble a été obtenu grâce à une subvention administrée par le Space Telescope Science Institute.
