Aujourd’hui, de vastes étendues de l’espace sont d’une clarté éclatante, mais cela n’a pas toujours été le cas. À ses débuts, l’univers était enveloppé d’un « brouillard » qui le rendait opaque, cachant les premières étoiles et galaxies. Le futur télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA explorera la transition de l’univers vers le paysage étoilé éblouissant que nous observons aujourd’hui, une période connue sous le nom d’aube cosmique.
« Un changement fondamental dans la nature de l’univers s’est produit durant cette époque », a déclaré Michelle Thaller, astrophysicienne au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, 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 crucial. »
L’Obscurité à la Lumière
Peu après sa formation, le cosmos était une mer brûlante de particules et de radiations. À mesure que l’univers s’est étendu et refroidi, des protons chargés positivement ont pu capturer des électrons chargés négativement pour former des atomes neutres, principalement d’hydrogène et un peu d’hélium. Cela a été une excellente nouvelle pour les étoiles et galaxies qui allaient émerger, mais une mauvaise nouvelle pour la lumière !
Il a probablement fallu un certain temps pour que l’hydrogène et l’hélium gazeux se regroupent en étoiles, qui se sont ensuite attirées pour former les premières galaxies. Cependant, même lorsque les étoiles ont commencé à briller, leur lumière ne pouvait pas voyager très loin avant d’être absorbée par des atomes neutres. Cette période, connue sous le nom d’âges sombres cosmiques, a duré d’environ 380 000 à 200 millions d’années après le Big Bang.
Puis, le brouillard s’est lentement dissipé à mesure que de plus en plus d’atomes neutres se sont désintégrés au cours des centaines de millions d’années suivantes, marquant l’aube cosmique.
« Nous sommes très curieux de savoir comment ce processus s’est déroulé », a déclaré Aaron Yung, boursier Giacconi à l’Institut des sciences du télescope spatial à Baltimore, qui aide à planifier les observations de l’univers primitif par Roman. « La vue large et nette de Roman sur l’espace profond nous aidera à évaluer différentes explications. »
Les Principaux Suspects
Il est possible que les premières galaxies soient en grande partie responsables de la lumière énergétique qui a fragmenté les atomes neutres. Les premiers trous noirs ont également pu jouer un rôle. Roman scrutera l’univers pour examiner ces deux coupables potentiels.
« 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 Caltech/IPAC à Pasadena, en Californie, qui a étudié l’aube cosmique. « Il identifiera rapidement les régions les plus denses, où le ‘brouillard’ est en train d’être dissipé, faisant de Roman une mission clé pour explorer l’évolution des premières galaxies et l’aube cosmique. »
Les premières étoiles étaient probablement très différentes de celles que nous connaissons aujourd’hui. Lorsque la gravité a commencé à rassembler la matière, l’univers était extrêmement dense. Les étoiles ont probablement atteint des masses des centaines ou des milliers de fois supérieures à celle du Soleil et ont émis une grande quantité de radiations à haute énergie. La gravité a rassemblé ces jeunes étoiles pour former des galaxies, et leur rayonnement cumulatif a pu à nouveau arracher des électrons aux protons dans les bulles d’espace qui les entouraient.
« On pourrait appeler cela la fête au début de l’univers », a déclaré Thaller. « Nous n’avons jamais observé la naissance des toutes premières étoiles et galaxies, mais cela devait être spectaculaire ! »
Cependant, ces étoiles massives avaient une durée de vie courte. Les scientifiques pensent qu’elles se sont rapidement effondrées, laissant derrière elles des trous noirs – des objets avec une gravité si extrême que même la lumière ne peut s’en échapper. Étant donné que l’univers jeune était également plus petit, car il n’avait pas encore beaucoup évolué, de nombreux trous noirs ont pu fusionner pour former des trous noirs encore plus massifs, atteignant des millions, voire des milliards de fois la masse du Soleil.
Les trous noirs supermassifs ont peut-être contribué à dissiper le brouillard d’hydrogène qui imprégnait l’univers primitif. La matière chaude tourbillonnant autour des trous noirs au centre des galaxies actives, appelées quasars, avant de tomber à l’intérieur, peut générer des températures extrêmes et émettre d’énormes jets de radiations intenses. Ces jets peuvent s’étendre sur des centaines de milliers d’années-lumière, arrachant les électrons de tout atome sur leur passage.
Le télescope spatial James Webb de la NASA explore également l’aube cosmique, utilisant sa vue plus étroite mais plus profonde pour étudier l’univers primitif. En combinant les observations de Webb avec celles de Roman, les scientifiques pourront obtenir une image beaucoup plus complète de cette époque.
Jusqu’à présent, Webb a découvert plus de quasars que prévu, compte tenu de leur rareté attendue et du champ de vision limité de Webb. La vue élargie de Roman aidera les astronomes à comprendre la situation en révélant la véritable fréquence des quasars, probablement en trouvant des dizaines de milliers par rapport à la poignée que Webb pourrait découvrir.
« Avec un échantillon statistique plus solide, les astronomes pourront tester une large gamme de théories inspirées par les observations de Webb », a déclaré Yung.
Explorer les premières centaines de millions d’années de l’univers avec la vue panoramique de Roman aidera également les scientifiques à déterminer si un certain type de galaxie (comme les plus massives) a joué un rôle plus important dans la dissipation du brouillard.
« Il se pourrait que les jeunes galaxies aient lancé le processus, puis que les quasars aient terminé le travail », a déclaré Yung. Observer la taille des bulles sculptées dans le brouillard fournira un indice majeur. « Les galaxies créeraient d’énormes amas de bulles autour d’elles, tandis que les quasars formeraient de grandes bulles sphériques. Nous avons besoin d’un large champ de vision comme celui de Roman pour mesurer leur étendue, car dans les deux cas, elles pourraient atteindre des millions d’années-lumière de large, souvent plus grandes que le champ de vision de Webb. »
Roman travaillera en étroite collaboration avec Webb pour fournir des indices sur la façon dont les galaxies se sont formées à partir du gaz primordial qui remplissait autrefois l’univers, et comment leurs trous noirs supermassifs centraux ont influencé la formation des galaxies et des étoiles. Ces observations aideront à découvrir les éclaireurs cosmiques qui ont illuminé notre univers et ont finalement rendu la vie sur Terre possible.
