Lorsque le télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA ouvrira ses yeux sur le cosmos, il scrutera une époque lointaine de l’histoire de l’univers, connue sous le nom d' »aurore cosmique ».

Contrairement à ses prédécesseurs, le télescope spatial Hubble et le télescope spatial James Webb (JWST), qui profitent pleinement de la transparence actuelle de l’univers à la lumière, il est important de noter que l’univers n’a pas toujours été ainsi.

Jusqu’à environ 400 000 ans après le Big Bang, l’univers était opaque, rempli d’un « brouillard » de particules absorbant les photons, les particules de lumière. L’aurore cosmique, qui s’étend de 50 millions à un milliard d’années après le Big Bang, représente la période où ce brouillard a commencé à se dissiper, permettant à la lumière de voyager librement.

C’est également l’une des périodes les plus significatives de l’histoire de l’univers, âgé de 13,8 milliards d’années, car c’est à ce moment-là que les premières étoiles, galaxies et trous noirs ont vu le jour. Le télescope spatial Nancy Grace Roman, dont le lancement est prévu pour mai 2027, se penchera sur l’influence de ces objets célestes durant ce tournant cosmique crucial.

« Un changement fondamental dans la nature de l’univers s’est produit durant cette période », a déclaré Michelle Thaller, astrophysicienne au Goddard Space Flight Center de la NASA dans le Maryland. « Grâce à la vue infrarouge large et précise de Roman, nous pourrions enfin comprendre ce qui s’est passé lors de ce tournant cosmique essentiel. »

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La lumière est arrivée !

Au cours des premières années de l’univers, celui-ci était rempli d’une mer chaude et dense de particules, y compris des électrons libres. Ces particules chargées négativement dispersaient sans cesse les photons, rendant l’univers opaque.

À mesure que le cosmos continuait de s’étendre, il se refroidissait également, atteignant un point où les électrons pouvaient se lier aux protons pour former les premiers atomes neutres et les premiers éléments, l’hydrogène et l’hélium. Cela a conduit à la formation des premières étoiles et galaxies. La disparition des électrons libres a permis à la première lumière de voyager à travers l’univers. Nous percevons cette lumière aujourd’hui comme un « fossile céleste » appelé fond cosmique micro-onde (CMB).

Bien que la lumière ne soit plus dispersée indéfiniment par les électrons libres à ce stade, elle n’était pas encore totalement libre de voyager sur de longues distances. Cela était dû au fait que les photons rencontraient rapidement des atomes neutres qui les absorbaient.

Cette période, qui a duré entre 380 000 et 200 millions d’années après le Big Bang, est connue sous le nom d’âges sombres cosmiques. Elle s’est terminée sur une période de quelques centaines de millions d’années alors que les atomes neutres se décomposaient ou étaient ionisés, entraînant l’aurore cosmique.

La question se pose : qu’est-ce qui a provoqué cette ionisation des atomes neutres ?

« Nous sommes très curieux de savoir comment ce processus s’est produit », a déclaré Aaron Yung de l’Institut des sciences du télescope spatial à Baltimore, membre de l’équipe d’observation de l’univers primordial de Roman. « La vue large et nette de Roman sur l’espace profond nous aidera à évaluer différentes explications. »

Les premières galaxies elles-mêmes pourraient être une source de radiation fournissant l’énergie nécessaire à l’ionisation des premiers atomes neutres. L’environnement autour des premiers trous noirs pourrait également être une autre source de cette lumière à haute énergie.

Roman examinera de près ces deux suspects.

« Roman sera particulièrement efficace pour identifier les éléments constitutifs des structures cosmiques comme les amas de galaxies qui se formeront par la suite », a déclaré Takahiro Morishita, scientifique assistant à l’Institut de technologie de Californie à Pasadena. « Il identifiera rapidement les régions les plus denses, où davantage de ‘brouillard’ est en train d’être dissipé, faisant de Roman une mission clé pour explorer l’évolution précoce des galaxies et l’aurore cosmique. »

Les étoiles à l’aurore cosmique différaient de celles que nous connaissons aujourd’hui, car la densité de l’univers primitif leur permettait d’atteindre des masses des centaines, voire des milliers de fois supérieures à celle du soleil. La masse énorme de ces premières étoiles signifiait qu’elles avaient une durée de vie beaucoup plus courte que les 10 milliards d’années estimées pour le soleil, mais cela signifiait également qu’elles émettaient une radiation plus intense que les étoiles modernes.

Regroupées dans des galaxies primitives denses, l’énergie de ces étoiles arrachait des électrons aux protons dans des bulles d’espace autour d’elles.

« On pourrait appeler cela la fête au début de l’univers », a déclaré Thaller. « Nous n’avons jamais vu la naissance des toutes premières étoiles et galaxies, mais cela devait être spectaculaire ! »

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Les trous noirs rejoignent la fête cosmique

Lorsque ces étoiles massives et éphémères se sont effondrées après l’épuisement de leur carburant nucléaire, elles ont donné naissance aux premiers trous noirs. Dans les environnements denses courants dans l’univers primitif, ces trous noirs se heurtaient et fusionnaient sans cesse.

Cela a conduit à la création de trous noirs supermassifs ayant des masses millions ou milliards de fois supérieures à celle du soleil, bien que la manière dont ces trous noirs ont pu atteindre une telle taille si rapidement demeure un mystère cosmique pressant.

Bien que les trous noirs eux-mêmes n’émettent aucune lumière en raison de leur frontière appelée « horizon des événements », qui marque le point où même la lumière ne peut s’échapper, ces premiers trous noirs supermassifs auraient pu contribuer à l’ionisation.

Lorsqu’un trou noir supermassif est entouré de gaz et de poussière qu’il absorbe, ce matériau se regroupe en un nuage en rotation rapide appelé disque d’accrétion. L’influence gravitationnelle massive du trou noir provoque des forces de marée intenses dans le disque d’accrétion, générant friction et chaleur, ce qui fait briller le gaz et la poussière à travers le spectre électromagnétique.

De plus, les champs magnétiques du trou noir peuvent canaliser le matériau vers ses pôles, d’où il est expulsé sous forme de jets jumeaux à des vitesses proches de celle de la lumière. Ces jets sont également accompagnés d’explosions de radiation électromagnétique. S’étendant sur des centaines de milliers d’années-lumière, les jets des trous noirs supermassifs sont capables de déchirer des électrons des atomes neutres.

Ces régions actives de trous noirs supermassifs, ou noyaux galactiques actifs, sont connues sous le nom de quasars, et le JWST les a découverts à des distances correspondant à une période de moins d’un milliard d’années après le Big Bang. Le puissant télescope spatial découvre en réalité beaucoup plus de quasars que prévu en explorant l’aurore cosmique.

Lorsque Roman sera opérationnel, son champ de vision plus large pourrait offrir une image plus claire de la fréquence des quasars durant l’aurore cosmique, potentiellement en identifiant des dizaines de milliers de ces régions alimentées par des trous noirs supermassifs.

« Avec un échantillon statistique plus solide, les astronomes pourront tester une large gamme de théories inspirées par les observations du JWST », a expliqué Yung.

Une question que les chercheurs tenteront de résoudre avec Roman est de savoir quel type de galaxies était responsable de la radiation ionisante à l’aurore cosmique. Un indicateur majeur de cela sera la taille des bulles ionisées sculptées par la radiation.

« Il se pourrait que de jeunes galaxies aient lancé le processus, puis que les quasars aient terminé le travail », a conclu Yung. « Les galaxies créeraient d’énormes amas de bulles autour d’elles, tandis que les quasars produiraient de grandes bulles sphériques. Nous avons besoin d’un grand champ de vision comme celui de Roman pour mesurer leur étendue, car dans tous les cas, elles pourraient atteindre des millions d’années-lumière de large, souvent plus grandes que le champ de vision du JWST. »