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Record de distance : une galaxie à 12,91 milliards d'années-lumière

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SXDF-NB1006-2 est présentée par une équipe d'astronomes japonais comme la galaxie la plus distante actuellementconnue. D'autres candidats à ce titre existent cependant, avec des distances parfois supérieures aux 12,91 milliards d'années-lumière estimées à l'aide du télescope Subaru. Une découverte qui nous renseigne sur l'aube du cosmos observable.

Un zoom dans le champ étudié par Subaru et le télescope XMM Newton montrant la galaxie SXDF-NB1006-2. © NAOJ

En 2013, les analyses du rayonnement fossile par Planck commenceront à être rendues publiques. On connaîtra encore mieux les événements ayant eu lieu dans l'univers observable 380.000 après le Big Bang, juste au moment où les premiers atomes neutres d'hydrogène et d'hélium se formaient massivement. Mais que s'est-il passé entre cette date de l'histoire du cosmos et les quelque 200 à 500 millions d'années après sa « naissance » il y a 13,7 milliards d'années ?

Cela reste encore indéterminé car c'est pendant cette période dite des âges sombres que les premières étoiles et les premières galaxies avec leurs trous noirs supermassifs se sont formées. On tente d'en savoir plus dans le cadre de vastes simulations numériques comme Deus et l'on prépare des instruments qui devraient nous permettre d'avoir des observations précieuses. Une chose est sûre : lorsque ces premières étoiles et les premiers trous noirs ont commencé à briller, leurs rayonnements ont peu à peu réionisé l'hydrogène neutre constituant la majorité de la matière baryonique de l'univers.

Cette tache rouge n'est autre que la galaxie SXDF-NB1006-2 située à 12,91 milliards d'années-lumière de la Terre. © NAOJ

Les instruments actuels commencent à empiéter sur le territoire encore largement inconnu de la réionisation. En témoigne justement la découverte faite par un groupe d'astronomes japonais utilisant le télescope Subaru au sommet du Mauna Kea à Hawaï. Avec son miroir primaire de 8,2 m de diamètre, ce télescope a observé dans l'infrarouge pendant 37 heures au cours de 7 nuits deux grands champs, les Subaru Deep Field et Subaru XMM-Newton Deep Survey Field.

Une nouvelle preuve de la théorie du Big Bang ?

En traitant patiemment les images obtenues, les chercheurs ont fini par dénicher l'objet baptisé SXDF-NB1006-2. Il s'agit d'une galaxie si lointaine que la fameuse raie Lyman-alpha de l'hydrogène qu'elle contient, qui se trouve dans l'ultraviolet, est observée dans l'infrarouge. La mesure du décalage spectral (Z=7,2) a fourni une estimation de sa distance : 12,91 milliards d'années-lumière !


Le décalage spectral vers le rouge d'un objet cosmologique est donné par une quantité notée Z, le redshift. Sa valeur est donnée par une fonction dépendant de l'âge, et donc de la distance, de l'objet par rapport à la Voie lactée. Plus ce décalage est élevé, plus la distance nous séparant de l'objet observé, en général une galaxie, est importante. Le schéma ci-dessus retrace l'histoire de l'univers observable avec le décalage spectral en échelle logarithmique en abscisse. Avant la recombinaison cosmique, 380.000 ans après le Big Bang, l'univers observable est un plasma chaud. Pendant les âges sombres, la matière est devenue neutre sous forme d'atomes et la naissance des étoiles et des galaxies débute pour finalement réioniser partiellement le cosmos. SXDF-NB1006-2 est observée par Subaru pendant la réionisation cosmique. © NAOJ

SXDF-NB1006-2 est présentée par l'équipe japonaise comme la galaxie la plus lointaine connue à ce jour, visiblement certaine d'avoir fait une observation plus solide que celle de UDFj-39546284. Découverte en 2010 dans la constellation du Fourneau, visible dans l'hémisphère sud, à l'aide du télescope Hubble, on estimait alors sa distance à 13,2 milliards d'années-lumière à l'aide des instruments du VLT. La mesure était cependant délicate et si personne n'a encore infirmé cette distance, elle n'a pas non plus été confirmée, voilà sans doute pourquoi l'équipe japonaise affirme aujourd'hui détenir le record de distance avec une galaxie.

Une mesure obtenue par les astrophysiciens est particulièrement intéressante. On sait que d'après la théorie du Big Bang, le contenu et l'état de la matière et du rayonnement changent dans l'univers observable au cours du temps. On avait ainsi prédit que le rayonnement fossile devait être plus chaud il y a quelques milliards d'années en fonction du décalage Z et c'est bien ce qui a été observé. De même, avec SXDF-NB1006-2, sa distance cosmologique devait correspondre à une période où une large part de l'hydrogène de l'univers était encore à l'état neutre. C'est bien ce qui a été trouvé avec une proportion de 80 %. Plus généralement, les chercheurs ont bien constaté que la portion d'hydrogène neutre augmentait avec la valeur de Z. Un argument de plus en faveur de la théorie du Big Bang, au moment où certains pensaient, à tort, que le modèle de la matière noire était en grande difficulté.