Les galaxies se bousculent dans cette partie du ciel boréal qui ne représente qu’une petite parcelle de la constellation de la Grande Ourse (voir vidéo ci-dessous). L’image est extraite du vaste sondage Goods North (Great Observatories Origins Deep Survey North) réalisé avec le télescope spatial Hubble. L’encadré dévoile GN-z11, une jeune galaxie distante de 13,4 milliards d’années-lumière qui a le ventre plein d’étoiles ardentes et brille beaucoup pour son âge. © Nasa, Esa, P. Oesch (Yale University)
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Un sursaut gamma détecté aux confins de l'Univers dans la galaxie la plus lointaine connue ?

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[EN VIDÉO] Sursauts gamma : des collisions d'étoiles à neutrons illuminent l'Univers  Les sursauts gamma sont les évènements les plus lumineux de l'Univers dans le domaine des ondes électromagnétiques. On peut en observer un par jour en moyenne sur la voûte céleste et ils surviennent dans des galaxies lointaines. Il en existe deux types, les courts et les longs. Cette vidéo explique la nature des sursauts courts. 

Il n'y a plus de doute : la galaxie GN-z11, découverte il y a quelques années avec le télescope Hubble, est bien la plus lointaine et la plus ancienne connue à ce jour. On y aurait même observé l'une des plus puissantes explosions possibles dans le cosmos observable, un sursaut gamma, survenue seulement 400 millions d'années après le Big Bang.

Il y a presque un siècle, au cours des années 1920, l'astronome Edwin Hubble est parvenu à démontrer que certaines des nébuleuses, que ses collègues observaient depuis presque deux siècles, ne faisaient pas partie de la Voie lactée mais qu'elles étaient, comme elle, de grandes galaxies contenant des milliards d'étoiles. Découvrant dans la foulée l'expansion de l'Univers observable, il allait donner à Georges Lemaître des raisons supplémentaires de développer son modèle du Big Bang dont il comprenait qu'il était naturellement impliqué par les équations de la théorie de la relativité générale d'Einstein.

En fait, comme l'a expliqué à plusieurs reprises Jean-Pierre Luminet, Lemaître était en avance de plusieurs décennies sur tout le monde en cosmologie dans les années 1920 et 1930, que ce soit avec la loi que l'on appelle aujourd'hui celle de Hubble-Lemaître, la théorie de la formation des galaxies, la constante cosmologique accélérant l'expansion du cosmos observable et même une théorie quantique du Big Bang.

Une large part du modèle cosmologique moderne se trouve donc dans les travaux de Lemaître, tout aussi largement complétés du point de vue théorique par les travaux du prix Nobel de physique James Peebles.

Les télescopes au sommet du Mauna kea, comme ici, notamment les télescopes de l'Observatoire Keck présentés dans cette vidéo, nous permettent de sonder les secrets du cosmos. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Explore Documentary Films

Voir les premières galaxies

Mais on ne doit pas passer sous silence l'importance des observations. Depuis Hubble et Lemaître, les astronomes cherchent à remonter toujours plus loin dans le passé pour comprendre la naissance des étoiles et des galaxies, multipliant les records grâce à des instruments collectant des photons fossiles dans toutes les longueurs d'onde, des rayons gamma, des kilonovae aux ondes radios des quasars.

La nouvelle frontière est depuis quelque temps celle de l'ère du Cosmos dite des Âges Sombres, et plus principalement en fait, leur fin à l'occasion de la période que l'on appelle la Renaissance cosmique ; elle s'accompagne de la naissance des premières étoiles et de la réionisation du gaz des baryons du Big Bang sous l'effet du rayonnement des jeunes étoiles et aussi des premiers trous noirs massifs accrétant copieusement la matière des courants froids maintenant sur le devant de la scène via le paradigme homonyme expliquant la croissance des galaxies qui les abritent. 

Les observations du satellite Planck nous ont appris que l'Univers observable est âgé d'environ 13,787 ± 0,020 milliards d'années. On pense aujourd'hui que les première étoiles ont commencé leur vie environ 150 millions d'années après le Big Bang et des galaxies étaient déjà bien constituées seulement 100 millions d'années plus tard environ.

Ce qui semble certain aujourd'hui, c'est que la galaxie GN-z11 (dont la découverte avait été annoncée en 2016 à la suite des observations du télescope Hubble) est bien la plus ancienne connue à ce jour et que des instruments -- comme ceux équipant les télescopes Keck I et Subaru sur le Mauna Kea, à Hawaii -- nous la montrent, très partiellement il est vrai, telle qu'elle était il y a environ 13,4 milliards d'années.

En direction de la constellation de la Grande Ourse, il y a relativement peu d’étoiles de notre galaxie, la Voie lactée, si bien que le ciel nous ouvre là de belles fenêtres sur l’Univers. C’est dans l’une d’elles qu’Hubble a débusqué l’objet GN-z11 qui pulvérise le précédent record de distance. © Nasa, Esa, G. Bacon (STScI)

Des sursauts gamma dès la fin des Âges sombres ?

C'est en effet ce que montre aujourd'hui via deux publications dans Nature Astronomy une équipe internationale d'astronomes menés par Linhua Jiang, de l'Institut Kavli d'astronomie et d'astrophysique de l'université de Pékin, et Nobunari Kashikawa de l'université de Tokyo. Les chercheurs ont obtenu dans le proche infrarouge des spectres qui confirment ce dont on se doutait déjà avec les observations de Hubble il y a quatre ans, comme l'expliquait Futura dans le précédent article ci-dessous.

Mais il y a mieux, comme on peut s'en convaincre en prenant connaissance d'une de ces publications dont une version est en accès libre, comme l'autre, dans l'une des célèbres mémoires scientifiques collectives de la noosphère : arXiv.

On le sait, plus un photon a voyagé longtemps dans l'espace en expansion, plus sa longueur d'onde aura été étirée par cette expansion, produisant l'effet d'un décalage spectral vers le rouge. Les astronomes expliquent maintenant que des photons infrarouges provenant de GN-z11 semblent être, à l'origine, ceux d'un flash de lumière important dans l'ultraviolet survenu donc il y a environ 13,4 milliards d'années.

Ce flash a duré quelques minutes et ses caractéristiques laissent penser qu'il s'agit de la pointe émergée d'un sursaut gamma survenu dans GN-z1. Il s'agirait donc d'un sursaut gamma long, le type de GRB (gamma-ray bursts) que l'on pense résulter de l'occurrence de supernovas de type Ib et Ic. Si tel est bien le cas, les chercheurs en concluent que les « résultats suggèrent également que le taux d'événements de type GRB pourrait être très élevé dans l'univers primitif, impliquant une formation rapide de galaxies. Des détecteurs de GRB plus sensibles pourront observer directement ces GRB dans le futur, et sonder l'époque précoce de la réionisation cosmique ».

La galaxie la plus éloignée, GN-z11, pointée par une flèche, est bien visible sur l'image obtenue avec le télescope spatial Hubble. Son spectre dans le proche infrarouge a été déterminé par le télescope Keck. Les raies d'émission du carbone doublement ionisé sont visibles (C III), indiquant un décalage vers le rouge de 10,957. © Université de Tokyo
Pour en savoir plus

Hubble repère la galaxie la plus lointaine... connue

Article de Xavier Demeersman publié le 07/03/2016

En fin de carrière mais toujours en forme, Hubble vient d'établir un nouveau un record de distance : une vigoureuse petite galaxie aperçue à 13,4 milliards d'années-lumière. Nous la voyons donc telle qu'elle était seulement 400 millions d'années après le Big Bang. Impressionnés, les chercheurs sont également surpris par ses caractéristiques précoces. Le vieux télescope spatial empiète ainsi sur le territoire qu'exploreront ses successeurs, JWST et WFirst.

En orbite autour de la Terre depuis déjà un quart de siècle, Hubble est un vétéran qui a toujours bon pied bon œil. Le télescope spatial est une fois de plus capable de prouesses impressionnantes comme vient de le montrer une équipe internationale qui l'a poussé dans ses limites pour débusquer une très jeune galaxie dans les confins de l'Univers.

Tapie à environ 13,4 milliards d'années-lumière de la Terre, en direction de la constellation de la Grande Ourse, elle se montre telle qu'elle était il y a 13,4 milliards d'années..., c'est-à-dire 400 millions d'années seulement après le Big Bang ! « Nous avons fait un grand pas en arrière dans le temps, bien au-delà de ce que nous nous attendions à être en mesure de faire avec Hubble, déclare Pascal Oesch, de l'université de Yale, qui a dirigé ces recherches à paraître le 8 mars dans The Astrophysical Journal (disponible ici). Nous voyons GN-z11 à un moment où l'Univers n'avait seulement que 3 % de son âge actuel ».

Le précédent record de distance nous dévoilait une jeune galaxie située à environ 13,2 milliards d’années-lumière (décalage vers le rouge de 8,68) de la Terre. Hubble vient de franchir les limites qu’on lui supposait, révélant un bébé galactique à quelque 13,4 milliards d’années-lumière (décalage de 11,1). L’Univers n’avait alors que 400 millions d’années. © Nasa, Esa, P. Oesch (Yale University), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Yale University), G. Illingworth (University of California, Santa Cruz)

On se rapproche du début de l’ère de réionisation

Puisque notre Univers est en expansion, toutes les galaxies que nous observons semblent nous fuir, et cela d'autant plus vite qu'elles sont éloignées de nous. Cela se traduit par un décalage vers le rouge (redshift, en anglais) dans le spectre électromagnétique. Ainsi, avec un décalage (z) de 8,68, EGSY8p7 détenait le précédent record : environ 13,2 milliards d'années-lumière (on est 600 millions d'années après le Big Bang). Avec l'instrument WFC3 (Wide Field Camera 3) d'Hubble, l'équipe a pu disséquer la lumière de GN-z11 et mesurer précisément sa distance. Avec un décalage de 11,1, le précédent record de distance vient d'être pulvérisé.

« Le détenteur du précédent record a été vu au milieu d'une période où la lumière des étoiles des galaxies primordiales commençait à chauffer et dissiper un brouillard froid d'hydrogène, explique Rychard Bouwens, de l'université de Leiden (Pays-Bas), coauteur de l'étude. Une époque de transition appelée ère de la réionisation. Quant à GN-z11, nous la voyons 150 millions d'années plus tôt, peu après le début de cette transition dans l'évolution de l'Univers. »

GN-z11 est une jeune galaxie plus brillante que prévu, comme l'ont montré Spitzer et Hubble. Bien que plus petite que la Voie lactée, elle donne naissance à 20 fois plus d’étoiles. © Nasa, Esa, P. Oesch (Yale University), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Yale University), G. Illingworth (University of California, Santa Cruz)

Encore petite, GN-z11 enfante 20 fois plus d’étoiles que la Voie lactée

GN-z11 se montre plus brillante que prévu par la théorie pour son âge. Elle est d'ailleurs si lumineuse que des observations relativement détaillées ont pu être réalisées. En combinant la vision perçante des télescopes spatiaux Hubble et Spitzer, les chercheurs ont pu déterminer qu'elle est 25 fois plus petite que notre Voie lactée (qui mesure 100.000 années-lumière de diamètre). Sa masse de matière sous forme d'étoiles est pour l'instant d'un centième de celle de notre galaxie, estimée à environ 200 milliards de fois celle du Soleil.

« Pour l'instant », car cet enfant galactique est plein de promesses. Sa croissance est rapide : 20 fois supérieure à celle, au ralenti, que connaît actuellement notre bonne vieille galaxie spirale. Une moyenne de 24 nouvelles étoiles sortent chaque année des usines (nuages de gaz et de poussières) au sein de GN-z11. « C'est étonnant qu'une galaxie si massive existât seulement de 200 à 300 millions d'années après que les premières étoiles aient commencé à se former », commente Garth Illingworth de l'université de Californie. Une vraie surprise partagée par toute l'équipe. En effet, « [...] comme l'ont suggéré nos précédents travaux, des galaxies aussi brillantes ne devraient pas exister si tôt dans l'Univers », indique Marijn Franx, coauteur et chercheur à l'université de Leiden.

Hubble nous offre un avant-goût des futures observations du JWST et WFirst

Il reste encore beaucoup de choses à apprendre sur cette période. « Comment GN-z11 s'est créée reste un mystère pour l'instant. Probablement voyons-nous les premières générations d'étoiles se former autour des trous noirs ? » estime Ivo Labbe qui a également participé à cette exploration des confins de l'Univers.

Qui mieux que le très prometteur JWST, le James Webb Space Telescope, dont le lancement est prévu fin 2018, pourra sonder ces régions lointaines pour nous éclairer sur les étapes de la formation des premières étoiles et galaxies ? Avec cette découverte, Hubble a déjà empiété sur le territoire de chasse du futur télescope spatial et aussi de celui d'un autre successeur, désormais en chantier, WFirst (Wide-Field Infrared Survey Telescope) dont le champ sera 100 fois plus étendu que celui du vénérable Hubble.

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