Avec son miroir plus grand et ses instruments permettant de voir dans l'infrarouge proche, le télescope spatial James-Webb (JWST) peut observer des galaxies moins lumineuses et plus lointaines, donc plus anciennes que celles visibles avec le télescope Hubble. Mais, comme ce dernier, il a des limites et les astronomesastronomes ont appris à les contourner partiellement en mettant à profit le phénomène de lentille gravitationnelle.

Dans le cadre de la théorie de la relativité généralerelativité générale d'EinsteinEinstein, il est possible de calculer comment une distribution quelconque de massemasse va dévier par son champ de gravitationgravitation la trajectoire de rayons lumineux. Ainsi, une grosse galaxie à l'avant-plan peut se comporter comme une loupe grossissante pour observer des galaxies en arrière-plan, loupe qui s'ajoute au pouvoir grossissant d'un télescope. Les astronomes se servent donc des lentilles gravitationnelles produites par des amas de galaxiesamas de galaxies riches de matière noirematière noire pour tenter d'observer l'état du cosmoscosmos seulement quelques centaines de millions d'années après le Big BangBig Bang.

Le JWST peut néanmoins aussi profiter de sa supériorité sur Hubble pour revisiter des objets anciens mais pas trop lointains, afin d'en renouveler la connaissance. La NasaNasa a ainsi mis en ligne récemment un communiqué montrant comment un amas de galaxies bien connu et déjà utilisé comme lentille gravitationnelle, du temps où seul Hubble était en orbiteorbite, permet d'étudier l'état de l'UniversUnivers observable environ 800 millions d'années après le Big Bang et l'émissionémission du fameux rayonnement fossilerayonnement fossile, la plus vieille lumièrelumière du cosmos.

En l'occurrence, c'est l'amas de galaxies Abell 2744, situé à 3,5 milliards d'années-lumièreannées-lumière de la Voie  lactéeVoie  lactée, qui a été mis à contribution. Abell 2744 est également célèbre sous le nom d'amas de Pandore. Il semble avoir résulté de la fusionfusion de quatre amas galactiques plus petits mais, surtout, il semble riche en matière noire, ce qui comme on l'a dit donne donc lieu à un effet de lentille gravitationnelle que les astronomes utilisent depuis un certain temps pour former par effet de loupe des images de galaxies lointaines dans le visible et dans l'infrarouge proche. Abell 2744 avait déjà été utilisé de cette façon avec le télescope Hubble et plus récemment avec le James-Webb.

La nouveauté avec le JWST est qu'il a permis d'obtenir une nouvelle pièce du puzzle concernant les modalités de ce que les astrophysiciensastrophysiciens et les cosmologistes ont appelé la réionisationréionisation du cosmos.

Qu'est-ce que la réionisation du cosmos ?

Arrêtons-nous un moment pour rappeler plus précisément de quoi il est question quand on parle de la réionisation, c'est-à-dire le passage des âges sombresâges sombres à celui de l'aubeaube cosmique et par quels moyens - Futura l'avait expliqué dans de précédents articles. Comme le montre la vidéo ci-dessous, ce n'est pas la première fois que l'on s'interroge sur des galaxies lointaines observées pendant la réionisation.

Selon le modèle cosmologique standard, environ 380 000 ans après la fin du Big Bang et disons environ un millier d'années, l'expansion du cosmos observable a fait chuter la température de son plasma, de sorte que les premiers atomesatomes d'hydrogènehydrogène et d'héliumhélium se sont formés, les premières moléculesmolécules d'hydrogène également et quelques traces d'autres atomes, comme le deutérium et le lithiumlithium. Les photonsphotons du rayonnement fossile n'étaient alors plus assez énergétiques pour casser un atome formé par la capture d'un électronélectron par un noyau du plasma.

Aucune étoileétoile n'illumine alors le gazgaz froid qui remplace le plasma gorgé de photons avant l'émission du rayonnement fossile. Ce sont les âges sombres qui ont duré quelques centaines de millions d'années tout au plus avant que l'effondrementeffondrement de la matière connue ne donne les premières populations d'étoiles importantes et les protogalaxies - comme l'explique la vidéo du CEA en tête de cet article.

Le rayonnement ultravioletultraviolet des premières étoiles, sans doute aidé aussi par le rayonnement similaire produit par les premiers trous noirstrous noirs géants, ancêtres des trous noirs supermassifs, a commencé à ré-ioniser les atomes et, pendant la période dite justement de la réionisation, la majeure partie de la matière ordinaire entre les galaxies va retourner à l'état de plasma - mais bien moins dense. C'est d'ailleurs heureux pour les astrophysiciens, car cela permet aux photons des galaxies lointaines de nous parvenir sans avoir été largement absorbés par le milieu intergalactique.

Des galaxies naines qui brillent dans l'ultraviolet

Ce scénario standard laisse encore bien des questions irrésolues, on ne sait pas vraiment quelle part de la réionisation est due aux étoiles ni précisément comment, et c'est justement les dernières observations du JWST aidé par Abell 2744 qui apportent des éléments de réponse.

En l'occurrence, les astrophysiciens ont débusqué des dizaines de petites galaxies et selon Isak Wold, chercheur adjoint à l'Université catholique d'Amérique à Washington et au Centre de vol spatial Goddard de la Nasa à Greenbelt, dans le Maryland : « En matière de production de lumière ultraviolette, ces petites galaxies sont bien plus performantes. Notre analyse de ces galaxies minuscules mais puissantes est dix fois plus précise que les études précédentes et montre qu'elles étaient présentes en nombre suffisant et détenaient une puissance ultraviolette suffisante pour alimenter cette rénovationrénovation cosmique », explique-t-il dans le communiqué de la Nasa qui ajoute que ces minuscules galaxies ont été découvertes par Wold et ses collègues de Goddard, Sangeeta Malhotra et James Rhoads, en analysant les images Webb prises dans le cadre du programme d'observation UNCOVER (Ultradeep NIRSpecNIRSpec et NIRCamNIRCam ObserVations avant l'époque de la réionisation), dirigé par Rachel Bezanson à l'Université de Pittsburgh, en Pennsylvanie.

Le modèle cosmologique standardmodèle cosmologique standard fait notamment croître les galaxies à partir de fusions de petites galaxies qui vont donner les grandes galaxies, comme la Voie lactée ou M87M87. Ces petites galaxies sont rares aujourd'hui, ne représentant qu'environ 1 % de celles qui nous entourent. Mais elles étaient abondantes lorsque l'Univers avait environ 800 millions d'années et qu'elles étaient le lieu de formations massives de nouvelles étoiles.

C'est d'ailleurs pour cette raison que les chercheurs étaient partis en quête de ces astresastres sur des images NIRCam de l'amas.

« Les galaxies de faible masse concentrent moins d'hydrogène neutre autour d'elles, ce qui facilite la fuite de la lumière ultraviolette ionisante. De même, les épisodes de sursautssursauts d'étoiles produisent non seulement une lumière ultraviolette abondante, mais creusent également des canaux dans la matière interstellaire d'une galaxie, favorisant ainsi sa diffusiondiffusion », précise James Rhoads.

Pour les identifier, lui et ses collègues ont donc recherché des sources lumineuses intenses avec une raie spectraleraie spectrale spécifique, verte, émise par des atomes d'oxygèneoxygène ayant perdu deux électrons. Initialement émise sous forme de lumière visible dans le cosmos primitif, la lueur verte de l'oxygène doublement ionisé a été décalée dans l'infrarouge par sa traversée de l'Univers en expansion pour finalement atteindre les instruments de Webb.

Au final les astrophysiciens ont débusqué 83 petites galaxies à sursauts de formation d'étoiles. L'équipe en a sélectionné 20 pour une inspection plus approfondie à l'aide de NIRSpec. Des types de galaxies similaires dans l'Univers actuel libèrent environ 25 % de leur lumière sous forme ultraviolette

« Si les galaxies à sursauts de formation d'étoiles de faible masse explorées par Wold et son équipe émettent une quantité similaire, elles peuvent représenter la totalité de la lumière ultraviolette nécessaire à la conversion de l'hydrogène neutre de l'Univers en sa forme ionisée », conclut le communiqué de la Nasa.