La Renaissance cosmique mieux comprise grâce à l'oxygène

Des astronomesastronomes d'origines japonaise, suédoise, britannique et de l'ESO ont observé, au moyen du Vaste Réseau (Sub-)Millimétrique de l'Atacama (Alma), l'une des galaxies les plus distantes connues à ce jour. SXDF-NB1006-2 se situe à un décalahe vers le rouge (redshiftredshift) de 7,2, ce qui signifie qu'elle nous apparaît telle qu'elle était 700 millions d'années seulement après le Big BangBig Bang.

L'équipe était partie à la recherche d'éléments chimiques lourds au sein de cette galaxie, susceptibles de nous renseigner sur le taux de formation stellaire, et donc sur cette période de l'histoire de l'Univers baptisée réionisation cosmique. « La quête d'éléments lourds dans l'Univers jeune permet de déterminer le taux de formation stellaire à cette époque » détaille Akio Inoue de l'université d'Osaka Sangyo au Japon, principal auteur de l'article de recherche dans la revue Science (voir aussi sur arXiv). « L'étude des éléments chimiques lourds nous renseigne par ailleurs sur le processus de formation des galaxies ainsi que sur les causes de la réionisation cosmique », ajoute-t-il.

Avant que les premières structures gravitationnelles n'apparaissent, l'Univers était constitué de gazgaz neutre. Puis, lorsque les premiers objets ont commencé à briller, quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, leur intense rayonnement rompit la neutralité des atomesatomes de ce gaz, en l'ionisant. Au cours de cette phase, baptisée réionisation cosmique, l'Univers dans son intégralité se transforma radicalement. Le type d'objets responsables de la réionisation suscite aujourd'hui encore de nombreux débats. L'étude des conditions régnant au sein des galaxies les plus lointaines constitue une sérieuse piste de réflexion.

De gauche à droite, depuis le Big Bang jusqu'à la fin de la réionisation, on voit les premières étoiles (first stars) créant des bulles d'hydrogène ionisé dont le front grandit dans l'hydrogène intergalactique neutre de l'époque. C'est la réionisation qui accompagne la fin des âges sombres et la Renaissance cosmique, des centaines de millions d'années après la recombinaison. Il est possible que ces premières étoiles aient conduit à la formation d'une population importante de trous noirs. Il est aussi probable que des trous noirs massifs, formés directement par effondrement de nuages de gaz à ce moment-là, aient fortement contribué la réionisation. © M. Weiss, Nasa, CXC

Des noyaux d'oxygène existaient il y a 13 milliards d'années

Avant d'observer cette lointaine galaxie, les astronomes ont effectué des simulations numériquessimulations numériques dans le but d'estimer la probabilité d'y observer de l'oxygèneoxygène ionisé grâce à Alma. Ils ont également pris en compte des résultats d'observation de semblables galaxies situées à bien plus grande proximité de la Terre, et conclurent que les raies d'émissionémission de l'oxygène ionisé pourraient être détectables, même à si grande distance .

Sur la base de ces éléments, ils ont effectué des observations d'une grande résolutionrésolution au moyen d'Alma et détecté un rayonnement en provenance du gaz d'oxygène ionisé présent dans SXDF-NB1006-2. Avec 13 milliards d'années, il s'agit de la détection d'oxygène ionisé la plus lointaine jamais réalisée avec succès et sans la moindre ambiguïté. Elle atteste de la présence d'oxygène dans l'Univers jeune, âgé seulement de 700 millions d'années.

Il est apparu que l'oxygène était dix fois moins abondant dans SXDF-NB1006-2 qu'il ne l'est dans le SoleilSoleil. « Cette faible abondance s'explique par le fait que l'Univers était encore jeune à cette époque et que la formation stellaire n'en était qu'à ses balbutiements », précise Naoki Yoshida de l'université de Tokyo. « Nos simulations ont effectivement prédit une abondance dix fois moindre que celle du Soleil. Un autre résultat s'est toutefois avéré inattendu : la très faible quantité de poussière. »

L'équipe n'a pas détecté la moindre raie d'émission du carbonecarbone au sein de cette galaxie, ce qui signifie que cette jeune galaxie renferme très peu de gaz d'hydrogènehydrogène non ionisé. En outre, il est apparu qu'elle ne contenait qu'une faible quantité de poussière, riche en éléments lourds. « Quelque chose d'inhabituel doit se produire au sein de cette galaxie », ajoute Inoue. J'ai le sentiment que la plupart du gaz est hautement ionisé. »

À droite, la galaxie de couleur rouge située au centre de l'image est la galaxie distante SXDF-NB1006-2. À gauche, zooms sur la galaxie distante. © NAOJ, ESO

Des galaxies très lumineuses dans le domaine des ultraviolets

La détection d'oxygène ionisé révèle que de nombreuses étoilesétoiles très brillantes, des dizaines de fois plus massives que le Soleil, sont nées au sein de cette galaxie et émettent un intense rayonnement ultravioletultraviolet, responsable de l'ionisationionisation des atomes d'oxygène.

L'absence de poussière au sein de cette galaxie permet à l'intense rayonnement ultraviolet de s'échapper et d'ioniser de vastes quantités de gaz situé à l'extérieur de la galaxie. Ainsi donc, « SXDF-NB1006-2 constituerait un exemple de sources lumineuses responsables de la réionisation cosmique », conclut Inoue.

« Ce résultat offre une importante clé de compréhension du type d'objets impliqués dans la réionisation cosmique, ajoute Yoichi Tamura de l'université de Tokyo. Notre nouvelle campagne d'observations avec Alma a d'ores et déjà commencé. Des observations dotées d'une résolution plus élevée nous permettront de connaître la distribution ainsi que le mouvementmouvement des atomes d'oxygène ionisé au sein de la galaxie et nous fourniront des éléments indispensables à la compréhension des propriétés de cette galaxie. »