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Réionisation de l'univers : le VLT au secours des astronomes

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Des astronomes ont utilisé le Very Large Telescope de l'ESO pour sonder l'univers primordial à différents instants, sur la période où il est devenu transparent aux rayons ultraviolets. Cette phase, brève mais spectaculaire, de l'histoire cosmique - connue sous le nom de réionisation - est survenue il y a environ 13 milliards d'années. En étudiant attentivement certaines des galaxies les plus lointaines que l'on n'ait jamais détectées, l'équipe a été capable d'établir pour la première fois une chronologie de la réionisation. Ils ont également démontré que cette phase s'est certainement déroulée plus rapidement que les astronomes ne le pensaient jusqu'ici.

Cette vue d'artiste représente l'univers un milliard d'années après le Big Bang, lorsqu'il a commencé à devenir transparent aux rayons ultraviolets. © ESO/ M. Kornmesser

Une équipe internationale d'astronomes a utilisé le VLT comme une machine à remonter le temps pour regarder l'univers primordial et observer plusieurs galaxies parmi les plus lointaines jamais détectées. Les astronomes ont pu mesurer leurs distances avec précision et définir que nous voyons aujourd'hui ces galaxies telles qu'elles étaient entre 780 millions et un milliard d'années après le Big Bang. Les nouvelles observations ont permis aux astronomes d'établir pour la première fois une séquence chronologique pour ce qui est connu comme la période de la réionisation. Durant cette phase, le brouillard d'hydrogène neutre de l'univers primordial se levait, permettant à la lumière ultraviolette de se propager pour la première fois sans encombre.

Les nouveaux résultats, qui seront publiés dans l'Astrophysical Journal, s'appuient sur une recherche longue et systématique de galaxies lointaines que l'équipe a réalisée avec le VLT au cours des trois dernières années. « Les archéologues peuvent reconstruire une chronologie du passé à partir des vestiges qu'ils trouvent dans les différentes couches du sol. Les astronomes peuvent faire mieux : on peut regarder directement dans le passé lointain et observer la faible lueur de différentes  galaxies à différents stades de l'évolution cosmique, explique Adriano Fontana, de l'Observatoire astronomique de Rome (Inaf) qui a dirigé ce projet. Les différences entre les galaxies nous renseignent sur l'évolution des conditions dans l'univers au cours de cette période importante, et aussi, avec quelle rapidité ces changements sont survenus ».

Les différents éléments chimiques brillent intensément à des couleurs caractéristiques. Ces pics de luminosité sont connus comme des raies d'émission. Une des plus fortes raies d'émission ultraviolette est la raie Lyman-alpha, qui provient de l'hydrogène ionisé. Cette raie est assez brillante et assez reconnaissable pour être vue même dans les observations de galaxies très faibles et lointaines.

La tache rouge au centre de cette image prise par le VLT montre la galaxie NTTDF-474. Elle fait partie de l'échantillon d'objets lointains qui ont servi à préciser la chronologie de la réionisation de l'univers il y a environ 13 milliards d'années. © ESO/L. Pentericci

Une chronologie qui s'affine

Repérer la raie Lyman-alpha dans cinq galaxies très lointaines a permis à l'équipe de faire deux choses essentielles : premièrement, en observant dans quelle mesure la ligne avait été déplacée vers l'extrémité rouge du spectre, ils ont pu déterminer les distances des galaxies, et donc savoir combien de temps après le Big Bang ils les voyaient. Ceci leur a permis de les placer dans l'ordre et de créer une chronologie qui montre comment la lumière des galaxies a évolué au fil du temps.

Deuxièmement, ils ont pu voir dans quelle mesure l'émission Lyman-alpha - qui vient de l'hydrogène lumineux dans les galaxies - a été réabsorbée par le brouillard d'hydrogène neutre dans l'espace intergalactique à différents moments dans le temps. « Nous voyons une différence spectaculaire dans la quantité de lumière ultraviolette qui a été bloquée entre les premières et les dernières galaxies de notre échantillon, explique Laura Pentericci de l'Observatoire astronomique de Rome de l'Inaf, auteur principal  de l'article scientifique. Lorsque l'univers avait seulement 780 millions d'années, cet hydrogène neutre était assez abondant et remplissait de 10 à 50 % du volume de l'univers. Mais seulement 200 millions d'années après, la quantité d'hydrogène neutre a chuté à un niveau très bas, semblable à ce que nous voyons aujourd'hui. Il semble que la phase de réionisation ait dû se passer plus rapidement que les astronomes ne le pensaient jusque-là. »

En même temps que de permettre de sonder la vitesse à laquelle le brouillard primordial s'est effacé, les observations de l'équipe ont également pointé vers la source probable de la lumière ultraviolette qui a fourni l'énergie nécessaire pour que se produise la réionisation. Il existe plusieurs théories concurrentes pour savoir d'où provenait cette lumière : les deux principaux candidats sont la première génération d’étoiles de l'univers et l'intense rayonnement émis par la matière lorsqu'elle tombe vers les trous noirs. « L'analyse détaillée de la faible luminosité émise par deux des plus lointaines galaxies que nous avons trouvées suggère que la toute première génération d'étoiles pourrait avoir contribué à la production de l'énergie observée, explique Eros Vanzella de l'Observatoire de Trieste, un membre de l'équipe de recherche. Celles-ci auraient été de très jeunes étoiles massives, environ cinq mille fois plus jeunes que le Soleil et une centaine de fois plus massives. Elles peuvent avoir été capables de dissiper ce brouillard primordial et de le rendre transparent. »

L'E-ELT, futur roi des télescopes

Les mesures très précises indispensables pour confirmer ou infirmer cette hypothèse, et montrer que les étoiles peuvent produire l'énergie nécessaire, imposent des observations depuis l'espace, ou à partir du télescope géant européen (E-ELT) en projet à l'ESO, et qui sera « l'œil tourné vers le ciel » le plus grand au monde lorsqu'il sera terminé au début de la prochaine décennie. Étudier cette première période de l'histoire cosmique est techniquement difficile car cela requiert des observations précises de galaxies extrêmement lointaines et faibles, une tâche qui ne peut être menée à bien qu'avec les télescopes les plus puissants. Pour cette étude, l'équipe a utilisé la grande puissance collectrice de lumière des télescopes de 8,2 mètres du VLT pour effectuer des observations spectroscopiques, en ciblant les premières galaxies qui avait été identifiées par le télescope spatial Hubble et à partir d'images profondes du VLT.

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