Astrophysique

Les découvertes récentes (II)

Les ORC (Odd Radio Circle), d'étranges ronds dans le ciel

En septembre 2019, Anna Kapinska, une assistante de Ray Norris à l'Université de Western Sydney découvrit un étrange objet radio dans les données du sondage du continuum radio d'ASKAP (Australian Square Kilometer Array Pathfinder) à 944 MHz. En raison de sa forme inhabituelle, il fut nommé ORC (Odd Radio Circle signifiant Étrange Cercle Radio).

Cette découverte fut réalisée dans le cadre du sondage pilote EMU (Evolutionary Map of the Universe) qui vise à recenser les radiosources grâce à ASKAP. L'installation radioastronomique peut couvrir une zone d'environ 270° carrés avec une sensibilité efficace d'environ 30 µJy par faisceau, avec une résolution spatiale d'environ 12". Les chercheurs estiment que EMU pourrait détecter quelque 70 millions de radiosources, contre les 2.5 millions cataloguées à ce jour grâce au sondage NVSS (VLA Sky Survey) du NRAO.

Peu après, deux autres radiosources, ORC-2 et ORC-3, très proches l'une de l'autre, furent découvertes dans les données d'ASKAP.

Par l a suite, Norris et ses collègues s'aperçurent que ORC-1 et ORC-2 avaient déjà été détectés à 88-154 MHz par le MWA (Murchison Widefield Array).

Des observations de suivi de ORC-1 et ORC-2 furent ensuite réalisées avec l'ATCA (Australia Telescope Compact Array) qui détecta les deux objets à 2.1 GHz.

Puis ORC-4 fut découvert dans des archives de mars 2013 enregistrées à 325 MHz par le radiotélescope GMRT (Giant Metrewave Radio Telescope) installé en Inde. S'il est similaire aux autres ORC, il s'en diffère par sa source centrale d'émission.

La découverte des ORC fit alors l'objet d'un premier article rédigé par l'équipe de Ray Norris publié par l'Astronomical Society of Australia en 2021 (en PDF sur arXiv).

Ensuite ORC-5 alias ORC J0102-2450 fut découvert en 2021 par ASKAP à 944 MHz. Il est superposé ou associé à la galaxie elliptique DES J010224.33–245039.5 située à z ~ 0.27 soit plus de 3.1 milliards d'années-lumière. Cette galaxie représente une masse stellaire estimée à 10¹¹ M et abriterait un trou noir supermassif d'environ 750 millions de masses solaires. Mais on ignore pour l'instant s'il existe une interaction entre ORC-5 et cette galaxie.

Comme le montre la carte du ciel présentée ci-dessous à gauche, ORC-5 se situe à seulement 3.1° de NGC 253, une belle galaxie spirale de Seyfert située dans le Sculpteur, de magnitude 7.2 et mesurant ~30'x7'. Elle fut justement étudiée aux basses fréquences de 27 et 227 MHz par Kapinska en 2017 au moyen du MWA mais qui ne s'attendait pas à revenir dans cette zone pour découvrir un ORC ! Comme quoi, une découverte tient parfois à un léger décalage de fréquence...

L'étude de ORC J0102-2450 fit l'objet d'un article publié dans les "MNRAS" en 2021 (en PDF sur arXiv) par l'équipe de Bärbel S. Koribalski de l'Australian Telescope National Facility. Ces radiosources firent également l'objet d'un article de vulgarisation publié sur le site Space Australia le 1 mai 2021.

Les ORC ressemblent à d'immenses anneaux ou à des disques d'émissions radio diffuses qui, jusqu'à présent, n'ont pas été détectés à d'autres longueurs d'ondes; ils sont invisibles en optique (visible et infrarouge) et en rayons X. Autre bizarrerie, les ORC se situent à des latitudes galactiques élevées, à bonne distance du plan galactique.

En fait, les ORC sont des sphères de gaz apparaissant sous forme d'anneaux par effet de perspective. Elles résultent de processus énergétiques se déroulant au centre des galaxies bien que la nature exacte de ce processus soit inconnue.

ORC-1 mesure environ 80" de diamètre et est pratiquement circulaire. Selon Norris, "Il présente une surface remplie avec des taches plus brillantes en périphérie. L'analyse du flux radio et le calcul de son indice spectral suggèrent qu'il s'agirait d'une vieille population d'électrons qu'on retrouve souvent dans les SNR, les halos des amas et les radiogalaxies mourantes." Curieusement, ORC-1 semble associé à une petite galaxie elliptique située en son centre mais l'interaction éventuelle doit encore être confirmée.

ORC-2 mesure également environ 80" de diamètre et ressemble à ORC-1 mais présente une structure radio différente avec deux puissants composants dans le secteur nord-est.

ORC-3 est situé juste à l'est de ORC-2 et mesure environ 90" de diamètre. Il est détectable par ASKAP mais est trop faible pour ATCA et MWA.

ORC-4 mesure environ 70" de diamètre soit 978000 années-lumière; il est presque deux fois plus étendu que la partie visible de la Voie Lactée ! ORC-4 est marginalement détectable à 150 MHz dans le sondage TGSS du GMRT et à 1.4 GHz dans le sondage NVSS.

Etant donné que ORC-3 et ORC-4 ne présentent pas de galaxie centrale, Norris pense qu'il s'agit peut-être d'objets différents des autres ORC. A confirmer.

Enfin, ORC-5 mesure ~90" de diamètre. Selon Norris, le fait qu'il présente un arc plus brillant du côté est suggère qu'il pourrait s'agir d'une queue qui est orientée du sud-est vers le nord et donc provenir d'un objet compact invisible ou l'effet d'une interaction avec le milieu intergalactique qui reste à découvrir. Cette hypothèse pourrait aussi expliquer la stucture de ORC-1 et la présence des galaxies à proximité.

A gauche, image du continuum radio de la radiosource ORC-1 découverte en septembre 2019 dans les données d'ASKAP superposée à une image RGB composite extraite du sondage DES (Dark Energy Survey). Notez les deux galaxies brillantes près des lettres "C" et "S". Au centre, image radio de ORC-1 superposée à une image RGB de DES avec un traitement supplémentaire pour faire ressortir l'émission diffuse (en vert). On distingue une galaxie orange au centre de l'ORC. On ignore encore si elle est en interaction avec lui. A droite, une image du continuum radio de ORC-4 obtenue par le GMRT à 325 MHz superposée à une image optique du SDSS. Documents R.Norris et al./CSIRO (2020).

Les chercheurs rappellent que "plusieurs classes d'évènements transitoires, capables de produire une onde de choc sphérique, ont été récemment découvertes, telles que des sursauts radio rapides (FRB), des sursauts gamma (GRB) et les fusions d'étoiles à neutrons. Cependant, en raison de la grande taille angulaire des ORC, de tels phénomènes transitoires se seraient produits dans un lointain passé."

Selon les chercheurs, "Tous les ORC présentent au centre de leurs anneaux concentriques une galaxie elliptique." Ils estiment que ce n'est pas une coïncidence et que les ORC ayant une galaxie en leur centre peuvent être communs, ce qui pourrait les aider à mieux comprendre les mécanismes de formation de ces radiosources.

Selon Koribalski et ses collègues : "A première vue, les ORC ressemblent à des rémanents de supernova (SNR) et pourraient donc être le résultat d'une onde de choc géante engendrée par un évènement transitoire (par exemple, un trou noir supermassif binaire ayant mergé, une hypernova ou un sursaut de rayons gamma remontant à plusieurs millions d'années."

"Il est également possible que les ORC représentent une nouvelle catégorie d'un phénomène connu, comme les jets d'une radiogalaxie ou d'un blazar lorsqu'ils sont vus de bout en bout, dans le 'tonneau' du jet. Alternativement, ils peuvent représenter un rémanent d'un précédent flux émergeant d'une radiogalaxie."

Dans un article non validé publié sur "arXiv" en 2020, deux scientifiques russes ont même suggéré que les ORC pourraient être les "bouches" de trous de vers. Actuellement aucune hypothèse n'est écartée (ou peut-être juste le trou de ver très spéculatif) et les radioastronomes recherchent d'autres ORC pour les vérifier.

A gauche, image de ORC-2 et ORC-3 reconstruite à partir du continuum radio d'ASKAP à 944 MHz lors du sondage pilote EMU, avec un traitement supplémentaire pour souligner l'émission diffuse. A droite, le continuum radio de la radiosource ORC-5 enregistré par ASKAP superposé à une image RGB extraite du sondage DES (Dark Energy Survey). Les trois vignettes sont des images DES des trois galaxies détectées dans le champ avec leurs décalages Doppler photométriques moyens (en haut, la galaxie d'arrière-plan; au milieu, la galaxie centrale; en bas la galaxie du sud-est). Documents R.Norris et al./CSIRO (2021) et B.S.Koribalski et al./CSIRO (2021).

Selon Norris, "Nous en avons trouvé une poignée dans 300° carrés de ciel, et nous nous attendons à ce qu'ils soient répartis plus ou moins uniformément dans le ciel, ce qui signifie qu'il y en a probablement environ 500 à 1000 en attente d'être découverts." Les chercheurs ont donc sollicité leurs collègues pour les détecter. Depuis ces découvertes, la bande de fréquences comprise entre 800 et 1088 MHz est réservée à la recherche des ORC.

Norris conclut : "Ces cercles dans l’espace ne se voient que dans des longueurs d'ondes radio et sont probablement composés de nuages d’électrons. Mais pourquoi ne voyons-nous rien dans les longueurs d'ondes lumineuses visibles ? Nous ne savons pas, mais trouver un puzzle comme celui-ci est le rêve de tout astronome."

ORC J0624–6948 : le premier SNR intergalactique ?

Dans un article publié dans les "MNRAS" en 2022 (en PDF sur arXiv), une équipe internationale d'astronomes a découvert un anneau radio de faible luminosité de surface entre le plan galactique de la Voie Lactée et le Grand Nuage de Magellan (LMC). Dénommé ORC J0624-6948, il fut détecté à 888 MHz grâce au réseau radioastronomique australien ASKAP (Australian Square Kilometre Array Pathfinder). L'objet mesure environ 196" soit 155 années-lumière de diamètre et présente des similitudes avec les ORC précités.

Toutefois l'objet s'en différencie significativement en raison d'un indice spectral radio plus plat, l'absence d'une galaxie centrale proéminente comme hôte possible et une taille apparente plus grande. Selon les auteurs, il pourrait donc s'agir d'un type d'objet différent.

Selon les auteurs, l'explication la plus plausible est qu'il s'agirait du rémanent d'une supernova intergalactique de Type Ia dont l'étoile progénétrice, peut-être organisée en système binaire, résidait dans la périphérie du LMC. Parmi les autres hypothèses, il pourrait s'agir des jets provenant d'un trou noir supermassif actif distant ou du reste d'une superéruption stellaire proche du centre galactique.

A gauche, image composite en couleurs arbitraires de ORC J0624-6948 (RGB, radio de l'ATCA à 5500 MHz et X entre 0.3-10 keV) et de tous les objets dans le champ. L'image dans l'encart est prise en RGI. Voici l'image sans légende. A droite, la localisation de l'objet dans l'hémisphère sud, près du LMC. Documents M.D. Filipović et al. (2022) et T.Lombry.

Selon Miroslav Filipovic de l'Université de Western Sydney en Australie et auteur principal de cet article, "Ce que nous avons alors potentiellement découvert est un vestige unique d'une supernova qui s'est développée dans un environnement intergalactique raréfié, un environnement que nous ne nous attendions pas trouver dans un tel objet. Nos estimations indiquent un âge d'environ 2200 à 7100 ans."

Bien que les SNR n'aient pas tendance à être circulaires, ce ne serait pas le premier exemple pour citer SN 1987A qui explosa dans le Grand Nuage de Magellan. Si les scientifiques ont raison, ORC J0624–6948 serait le premier SNR intergalactique découvert à ce jour.

Les futures observations devraient permettre de lever les incertitudes. De plus, davantage d'observations avec l'ASKAP et son homologue sud-africain MeerKAT pourraient aider les chercheurs à identifier d'autres ORC dans le ciel, leur offrant une vision plus complète de leur diversité, ce qui leur donnera plus de chances de comprendre ce qu'ils sont réellement.

Les filaments cosmiques seraient en rotation

Nous savons que les corps célestes, des planètes aux étoiles en passant par les galaxies, tournent sur elles-mêmes. En revanche, les amas de galaxies ne tournent pas du tout ou très lentement. Jusqu'à présent, on pensait que la rotation s'interrompait à l'échelle des grandes structures cosmiques. Mais dorénavant cette idée doit être écartée.

Dans un article publié dans la revue "Nature" en 2021, Noam I. Libeskind de l'Institut Leibniz d'Astrophysique de Potsdam, en Allemagne, et ses collègues ont découvert que les filaments cosmiques constitués de centaines de galaxies qui s'étendent sur des centaines de millions d'années-lumière (cf. cette simulation) semblent également tourner sur eux-mêmes. Il s'agirait des plus grandes structures en rotation de l'univers.

A gauche, si on considère que la signification statistique ou fiabilité de la corrélation ΔzAB est compatible avec le hasard, alors on peut l'afficher en fonction de la "température" dynamique du filament, zr.m.s./ΔzAB, dans laquelle ΔzAB est la différence de décalage vers le rouge des galaxies entre les régions se rapprochant et celles s'éloignant de chaque filament. Plus cette quantité est élevée, plus il est improbable que ΔzA soit aléatoire. La couleur de chaque point indique le nombre de galaxies dans chaque filament. L'échelle de droite indique le nombre de galaxies dans la région A ou la région B. A droite, la vitesse de rotation des filaments en fonction de la distance (en Mpc) entre les galaxies et l'épine dorsale du filament (en projection). La vitesse de rotation est calculée par cΔz, où z est la différence de décalage vers le rouge des galaxies à une distance donnée par rapport au décalage vers le rouge du filament. La distance des galaxies par rapport au centre du filament est affichée en rouge dans les régions en récession et en bleu dans les régions se rapprochant. Documents N.I. Libeskind et al. (2021).

Des études antérieures ont suggéré qu'au cours de l'évolution de l'Univers, une grande partie du gaz probablement combiné à de la matière sombre et froide s'est effondré pour former les galaxies. Elles se sont ensuite rassemblées pour former des amas de galaxies qui se sont eux-mêmes rassemblés dans des superamas de galaxies qui ont fini par s'agglutiner et former les immenses filaments noueux de la toile cosmique.

À l'aide des données du sondage SDSS (Sloan Digital Sky Survey), les chercheurs ont examiné plus de 17000 filaments, analysant la vitesse à laquelle les galaxies composant ces structures géantes se déplaçaient. Pour se faire ils ont statistiquement approximé les filaments de galaxies par des cylindres. Au sein de chaque cylindre, les galaxies ont été divisées en deux régions A et B autour de l'axe central ou épine dorsale du filament (en projection). Ils ont ensuite mesuré le décalage Doppler (vers le rouge et vers le bleu) des galaxies au sein de chaque région et calculé leur vitesse relative par rapport à l'axe du filament. Ils ont découvert que ces galaxies tournaient autour de l'épine centrale de chaque filament comme le montrent les graphiques ci-dessus.

Les galaxies les plus rapides se déplacent autour du centre évidé de ces filaments à des vitesses atteignant environ 100 km/s. Les chercheurs soulignent que si les filaments individuels ne semblent pas tourner sur eux-mêmes, il semble exister des filaments en rotation.

Les chercheurs ont également remarqué que l'ampleur de la rotation est proportionnelle à l'angle d'observation et à l'état dynamique du filament. La rotation est plus apparente lorsque le filament est observé de face. De plus, plus les halos de galaxies situés aux extrémités des filaments sont massifs, plus la rotation est décelable. Cette corrélation pourrait être un indice permettant aux chercheurs de comprendre le mécanisme à l'origine de cette rotation.

La grande question est de savoir pourquoi ces filaments tournent-ils ? Et indirectement, sous l'effet de quelle impulsion initiale et depuis quand, c'est-à-dire à quelle époque ou à quel stade de l'évolution de l'Univers et des galaxies cette rotation s'est déclenchée ?

Selon Libeskind, en théorie le Big Bang n'a pas donné d'impulsion initiale aux structures primordiales de l'univers primitif. Par conséquent, ce qui a mis en rotation ces filaments est apparu plus tard dans l'histoire de l'Univers, au fur et à mesure que les structures se sont formées.

Une origine possible de cette rotation est que les puissants champs gravitationnels engendrés par ces filaments ont forcé le gaz, la poussière et d'autres matériaux, à s'effondrer ensemble, et que les forces de cisaillement résultantes auraient déclenché la rotation de toute cette matière. Mais selon Libeskind, pour le moment "nous ne savons pas vraiment ce qui peut provoquer un couple à cette échelle." Le mystère est entier.

SPT0418-47, une galaxie semblable à la Voie Lactée à 12.2 milliards d'années-lumière

Dans un article publié dans la revue "Nature" en 2020, grâce au réseau radioastronomique ALMA ( Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) installé au Chili, Francesca Rizzo de l'Institut Max Planck d'Astrophysique et ses collègues ont découvert une galaxie semblable à la Voie Lactée cataloguée SPT0418-47 à z = 4.2 soit plus de 12.2 milliards d'années-lumière de la nôtre.

Cette découverte soulève un problème astrophysique car les astronomes ne s'attendaient pas à ce qu'une galaxie de ce type existe seulement 1.5 milliard d'années après le Big Bang. En effet, selon les modèles, les premières galaxies sont extrêmement instables et ne ressemblent pas du tout à la Voie Lactée.

A voir : SPT0418-47: lensed view to reconstructed view, ESO

Gravitational lensing of the distant SPT0418-47 galaxy (schematic)

A gauche, image obtenue par ALMA de la galaxie SPT0418-47 située à z = 4.2 ou 12.2 milliards d'années-lumière déformée par une lentille gravitationnelle située à l'avant-plan (mais invisible). A droite, sa reconstruction. Voir aussi les vidéos ci-dessus. Documents ALMA/ESO.

Dans un communiqué de l'ESO, Rizzo déclara que "ce résultat constitue une véritable percée dans le domaine de la formation des galaxies. Il atteste que les structures que nous observons au sein des galaxies spirales proches de la nôtre ainsi que dans notre propre Voie Lactée étaient déjà en place voici 12 milliards d’années."

Les chercheurs ont identifié des caractéristiques distinctes telles qu'un disque en rotation et un renflement central où se ressemblent un grand groupe d'étoiles, un peu comme la Voie Lactée.

Selon Filippo Fraternali de l'Institut d'astronomie Kapteyn de l'Université de Groningue aux Pays-Bas et coauteur de cet article, "Le fait que cette galaxie ressemble tant aux galaxies proches de la nôtre constitua une véritable surprise. Ce résultat va à l’encontre de l’ensemble des prévisions des simulations numériques et des données d’observations antérieures, moins détaillées."

Le problème est qu'il est presque impossible d'obtenir une image détaillée d'une galaxie située à 12 milliards d'années-lumière, même avec les plus grands télescopes actuels de 8 à 10 m de diamètre. Heureusement, grâce à une galaxie massive située à l'avant-plan et faisant office de lentille gravitationnelle - qui est à l'origine de la forme circulaire de l'image de la galaxie -, les astronomes ont pu profiter de son effet amplificateur pour distinguer des détails sans précédent dans SPT0418-47.

Les chercheurs se sont ensuite appuyés sur des techniques de modélisation informatique pour reconstruire la forme de la galaxie. Selon Simona Vegetti de l'Institut Max Planck d'Astrophysique et coauteure de cette article, "Ce que nous avons découvert est assez déroutant : bien qu’elle forme des étoiles à un rythme élevé et qu’elle soit le siège de processus hautement énergétiques, SPT0418-47 est le disque galactique le mieux ordonné observé à ce jour dans le jeune Univers [...] Ce résultat particulièrement inattendu bouleverse notre perception de l’évolution des galaxies."

Les chercheurs espèrent utiliser le futur télescope ELT de 39 m de diamètre qui devrait voir sa première lumière en 2025 pour observer de plus près et mieux comprendre à quoi ressemblaient les galaxies peu de temps après le Big Bang.

Découverte de filaments diffus de gaz dans l'espace profond

Dans un article publié dans la revue "Astronomy & Astrophysics" en 2021 (en PDF sur arXiv), l'équipe du sondage MUSE HUDF de l'ESO dirigée par l'astrophysicien Roland Bacon de l'Université Lyon 1 annonça la découverte d'une émission Lyman α (Ly-α) diffuse, c'est-à-dire de fluorescence de l'hydrogène, étendue entre les redshifts z de 3.1 et 6.7, traçant des filaments de gaz froids situés entre 11.6 et 12.9 milliards d'années-lumière dont certains mesurent 15 millions d'années-lumière. Ces filaments de gaz constituent la toile de fond cosmique sur laquelle les germes des galaxies se sont formées 2 ou 3 milliards d'années après le Big Bang.

Ci-dessus, image à bande étroite du filament principal détecté grâce à l'instument MUSE du VLT. Les contours des émetteurs Lyman alpha (LAE) sont affichés en rouge. Les deux cercles pointillés ont un rayon de 3.5″ ou 88000 années-lumière et représentent la zone où l'émission diffuse circumgalactique des deux LAE devient insignifiante. Ci-dessous, simulation GALICS de l'émission diffuse Ly-α en surdensité dans un champ de galaxies de 82" ou 2.6 Mpc à z = 3. A gauche, la répartition des galaxies simulées dans le champ de vision MOSAIC et MXDF. Les LAE les plus lumineux sont marqués en rouge, les moyens en orange et les plus pâles en bleu. A droite, l'image à bande étroite Ly-α sans bruit. Documents R.Bacon et al. (2021).

Ces structures ont été observées dans des surdensités d'émetteurs Lyman α (LAE) grâce à l'imageur MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) du VLT lors d'expositions de 140 heures du champ HUDF (Hubble Ultra Deep Field), une région du ciel profond très étudiée située dans la constellation du Fourneau.

Parmi les 22 régions de surdensité identifiées, 5 semblent abriter de vaste étendues de gaz émettant fortement par fluorescence. Après analyse, 70% de la luminosité totale de ces filaments proviennent d'au-delà des émetteurs LAE catalogués (des jeunes galaxies présentant un taux élevé de production stellaire et émettant fortement en UV).

Selon les simulations GALICS telles celle présentée ci-dessus, l'émission fluorescente Ly-α alimentée par ce fond UV cosmique représente moins de 34% de cette émission à z ≈ 3 et pas plus de 10% à un redshift plus élevé. En fait, ce rayonnement diffus semble émis par des galaxies naines trop pâles pour être visibles.

C'est la première fois qu'on détecte des filaments de gaz en émission Ly-α à ces distances et le premier indice observationnel indiquant l'existence d'une grande population de LAE d'ultra faible luminosité à des décalage vers le rouge très élevés.

Paradoxalement, sur base de ce rayonnement UV supposé être émis par les jeunes étoiles de ces galaxies naines éloignées, la luminosité minimale de ces LAE indique que le taux de formation stellaire maximum dans ces galaxies naines est très faible : elles ne formeraient au maximum qu'une étoile... tous les 10000 ans (contre 3 étoiles pour la Voie Lactée de nos jours et 10000 fois plus pour les galaxies primitives).

Cela signifie surtout que cette émission Ly-α dans un environnement extérieur aux grandes structures galactiques est un indice permettant de tracer les filaments de matière à des échelles supérieures au mégaparsec.

A gauche, cartographie des émission Ly-α diffuses à z = 3.07 ou 6.5 milliards d'années-lumière. C'est une image composite du champ général UDF exposé 10 heures (autour du cercle) combinée à une exposition de 140 heures du champ MXDF (cercle). Les emplacements des émetteurs Ly-α identifiés sont affichés sous forme de cercles rouges de taille proportionnelle au logarithme de leur luminosité. Le cercle bleu foncé en dessous à gauche est l'emplacement d'un AGN source Ly-α. L'encart présente les lignes de contours des filaments en jaune, blanc et cyan pour respectivement, les expositions MOSAIC (seulement une fraction du champ complet), MXDF et UDF. A droite, l'un des filaments d'hydrogène froid (en bleu) détecté par MUSE superposé à une image du champ HUDF du Télescope Spatial Hubble. Ce filament de gaz est situé dans la constellation du Fourneau (Fornax) à 11.5 milliards d'années-lumière et s'étend sur 15 millions d'années-lumière. Documents R.Bacon et al. (2021).

A présent, les chercheurs vont étendre leurs observations à d'autres régions du ciel profond à la recherche d'autres filaments de la toile cosmique grâce à un nouveau spectrographe nommé BlueMUSE. Décalé vers des longueurs d'ondes un peu moins infrarouge, il permettra d'explorer les LAE un peu moins éloignés et donc formés plus récemment (plus près du pic de formation stellaire dans les galaxies) vers z = 2 soit ~10.4 milliards d'années-lumière.

L'identification de ces présumées galaxies naines dans les filaments de gaz à cette époque permetttra d'améliorer nos connaissances sur la formation des galaxies et la structure de la toile cosmique.

Des bulles d'hydrogène ionisé à z = 7.7

Selon la théorie du Big Bang, au cours du premier milliard d'années de l'Univers, la plupart des atomes d'hydrogène se sont ionisés. Les astronomes soupçonnent que cette réionisation - car auparavant l'hydrogène avait déjà été ionisé pendant quelques centaines de milliers d'années - fut déclenchée par les étoiles de la première génération dont l'intense rayonnement UV arracha les électrons des nuages d'hydrogène environnants.

Dans un article publié en 2020 par Vithal Tilvi de l'Université d'Etat d'Arizona (ASU) et ses collègues, les chercheurs ont annoncé la découverte de trois galaxies à environ z = 7.7 ou 13 milliards d'années-lumière dont les étoiles sont en train de réioniser l'hydrogène environnant. C'est la première preuve directe de cette phase primordiale de l'évolution de l'Univers.

Durant cette période appelée les "Âges sombres" cosmiques, des particules élémentaires formées peu après le Big Bang se sont combinées pour former de l'hydrogène neutre mais aucune étoile ou galaxie n'existait encore pour éclairer l'Univers. Comme illustré ci-dessus, cette période commença environ 300000 ans après le Big Bang et se termina avec la formation des premières étoiles, dite de Population III très pauvres en métaux (métallicité [Z/H] ~ -10). Bien que cette période soit prévue par les équations et les simulations informatiques, jusqu'à présent nous avions très peu de preuves directes.

Grâce à l'imageur infrarouge NEWFIRM (NOAO Extremely Wide-Field Infrared Imager) installé sur le télescope Mayall de 4 m du Kitt Peak en Arizona, des astronomes ont découvert dans l'amas de galaxies EGS77 trois galaxies affichant dans leur spectre les effets du rayonnement de ces premières étoiles. La découverte de ces galaxies très pâles n'a été possible que grâce à l'utilisation d'un filtre spécial à bande étroite sur le NEWFIRM.

Notons que EGS, alias Extended Groth Strip, est une région riche en galaxies située dans la constellation du Bouvier qui fut découverte en 2005 grâce au Télescope Spatial Hubble. Elle correspond à une étroite bande du ciel large de 1° contenant 50000 galaxies dont deux photos sont présentée ci-dessous. L'amas de galaxies EGS77 fut découvert dans le cadre du sondage Cosmic DAWN (l'Aube Cosmique, alias Cosmic Deep And Wide Narrowband) dirigé par James E. Rhoads du centre GSFC de la NASA.

A gauche, illustration des bulles d'hydrogène ionisé formées par trois galaxies dans l'amas de galaxies EGS77 du Bouvier. Document V.Tilvi et al. (2020), NASA/ESA, OIR Lab/KPNO/AURA. A droite, la galaxie EGS-zs8-1 située à z = 7.73 soit 13.04 milliards d'années-lumière (c'est la plus rouge des trois cerclées de vert sur l'image de gauche). Sa masse est estimée à environ 7.94 milliards de masses solaires soit plus de trente fois inférieure à celle de la Voie Lactée. La couleur bleue est artificielle pour souligner sa jeunesse. Ces images furent prises en 2015 grâce au Télescope Spatial Hubble dans le cadre du sondage CANDELS (en optique et IR). Les spectres furent enregistrés avec le télescope Keck d'Hawaï. Document NASA/ESA/STScI.

Les résultats de cette étude furent présentés lors d'une conférence de presse qui s'est tenue en janvier 2020 lors du 235^e meeting de l'American Astronomical Society (AAS) à Honolulu, à Hawaï. Selon James Rhoads qui présenta les résultats, "EGS77 est le premier amas de galaxies pris en train de nettoyer ce brouillard cosmique."

Selon Tilvi : "La lumière intense des galaxies peut ioniser l'hydrogène gazeux environnant, formant des bulles qui permettent à la lumière des étoiles de voyager librement. EGS77 a formé une grande bulle qui permet à sa lumière de voyager vers la Terre sans beaucoup d'atténuation. Finalement, des bulles comme celles-ci se sont développées autour de toutes les galaxies et ont rempli l'espace intergalactique, ouvrant la voie à la lumière pour voyager à travers l'Univers."

Les spectres des trois galaxies obtenus par le télescope Keck I d'Hawaï montrent de fortes raies d'émission Lyman alpha (la signature de la désexcitation de l'hydrogène en UV) à un décalage z = 7.7 (redshift photométrique). Cela correspond à une distance de 13 milliards d'années-lumière lorsque l'univers avait 5% de son âge actuel soit environ 676 millions d'années après le Big Bang.

La taille de la bulle ionisée autour de ces galaxies a été dérivée de leur modélisation informatique. Ces bulles se chevauchent spatialement, mais sont suffisamment grandes (environ 2.2 millions d'années-lumière) pour que les photons Lyman alpha soient décalés vers le rouge par effet Doppler avant d'atteindre la limite de la bulle et peuvent ainsi s'échapper sans trop de perturbations, permettant aux astronomes de les détecter.

La découverte de ces bulles de réionisation est importante pour la cosmologie car elle confirme cette transition durant les Âges sombres, un état intermédiaire entre un Univers neutre et un Univers ionisé tel que prédit par la théorie.

A l'avenir, les astronomes espèrent que de telles découvertes seront plus nombreuses grâce à l'utilisation de télescopes plus puissants (cf. le ELT de 39 m de diamètre) qui pourront sonder l'Univers encore plus loin avec plus de netteté.

Traces d'ionisation stellaire 180 millions d'années après le Big Bang ?

Après plus de dix années de recherches, Judd D. Bowman de l'Université d'Arizona et ses collègues ont annoncé en 2018 dans la revue "Nature" qu'ils avaient découvert les traces des premières étoiles ionisant l'Univers 180 millions d'années seulement après le Big Bang, un record !

Rappelons qu'à cette époque primordiale l'Univers ne contenait pas encore de galaxies, de supernovae ou de quasars. L'espace était principalement composé de nuages d'hydrogène neutre (région HI) baignant dans un rayonnement diffus omniprésent issu du Big Bang. Au fil du temps, ces nuages de gaz se sont refroidis et la gravité provoqua leur effondrement et la formation des premières étoiles. Il s'agit d'étoiles géantes bleues très chaudes de Population III composées exclusivement d'hydrogène.

Lorsque ces étoiles primordiales ont commencé à briller, elles ont irradié l'espace de rayonnement ultraviolet très intense. Cela provoqua l'excitation des atomes d'hydrogène neutre, formant les premiers nuages d'hydrogène ionisé (région HII). Après avoir absorbé l'énergie du rayonnement, pour retrouver leur stabilité et leur état de moindre énergie, ces atomes d'hydrogène ionisé ont dû émettre un rayonnement radioélectrique particulier sur la fréquence d'environ 1420 MHz ou 21 cm de longueur d'onde. Mais étant donné que l'Univers est en expansion, les ondes électromagnétiques subissent un effet Doppler et sont détendues. Autrement dit, elles présentent une longueur d'onde supérieure (ou une fréquence inférieure). Selon les modèles, cette transition atomique de l'atome d'hydrogène doit s'observer dans le rayonnement X-UV Ly-α mais avec un décalage Doppler ou redshift z ~ 20, ce qui correspond à une fréquence proche de 100 MHz (cf. la théorie du Big Bang pour la détection de la raie Ly-α dans le spectre infrarouge des quasars à z = 8).

En théorie, si les astronomes détectent une raie d'absorption (ou l'émission radioélectrique) correspondant à cette fréquence, ils auront la preuve de l'existence de ce processus et indirectement de l'existence des premières étoiles.

Pour trouver ce signal, l'équipe de chercheurs utilisa un spectromètre radio installé à l'Observatoire de Radioastronomie Murchison (MRO) en Australie occidentale présenté ci-dessous. Dans le cadre de l'expérience EDGES (Experiment to Detect the Global EoR Signature), l'équipe enregistra l'émission radioélectrique du ciel austral. Ensuite, ils analysèrent les données à la recherche d'infimes fluctuations de la température de brillance, c'est-à-dire de la puissance du signal en fonction de la fréquence en espérant trouver une déflection ou absorption significative.

Initialement, l'équipe recherchait des fréquences un peu plus élevées, correspondant à des époques cosmiques plus récentes, mais en 2015 elle étendit ses recherches vers des fréquences plus basses et donc des évènement survenus plus tôt dans l'histoire de l'Univers.

C'est alors qu'ils découvrirent un raie d'absorption importante à environ 78 MHz présentant un redshift z = 19.7 soit une distance proche de 13.54 milliards d'années-lumière. Ainsi que le rapporte Bowman, "Nous avons détecté un profil d'absorption aplati dans le spectre radioélectrique moyenné du ciel qui est centré sur la fréquence de 78 MHz avec une largeur de 19 MHz et une amplitude de 0.5 K. Le profil est en grande partie conforme aux attentes pour le signal de 21 cm induit par les premières étoiles. Cette fréquence correspond à environ 180 millions d'années après le Big Bang. En termes de détection directe d'un signal provenant du gaz d'hydrogène lui-même, il s'agit du plus ancien."

Interprétations

Parmi les interprétations de cette découverte, la détection d'hydrogène ionisé par le rayonnement des premières étoiles fut accompagnée par la prétendue mise en évidence de façon tout à fait fortuite de la véritable nature de la matière sombre (ou noire). En effet, selon les chercheurs la raie d'absorption détectée est plus de deux fois plus importante que les prédictions des modèles les plus optimistes, ce qui remet en question le modèle cosmologique Standard.

Dans un article publié dans le même numéro de la revue "Nature" en 2018, l'astronome Renna Barkana de l'Université de Tel-Aviv estime que cela signifie que le signal fut perturbé par une autre composante qui provoqua un refroidissement de la matière plus important que prévu. Soit les astronomes ne tiennent pas compte d'une composante inconnue essentielle de l'univers primordial soit ils ont détecté indirectement la première trace de la matière sombre qui, selon les modèles, absorbe l'énergie de la matière ordinaire.

A gauche, le spectromètre radio LOW-1 de l'expérience EDGES utilisé par les chercheurs pour détecter l'émission du gaz ionisé primordial à 78 MHz. Le récepteur radio se compose de deux plaques rectangulaires faisant office d'antenne, l'ensemble étant fixé sur des montants en fibre de verre posés sur un treillis métallique. A droite, illustration artistique des premières étoiles bleues et chaudes ionisant le gaz présent dans l'Univers 180 millions d'années après le Big Bang. Documents CSIRO et T.Lombry.

En apprenant la réponse de Barkana, Bowman a toutefois relativisé sa propre découverte en rappelant "Qu'un autre groupe la confirme de manière indépendante est un élément essentiel du processus scientifique."

Afin de confirmer cette découverte, les chercheurs ont l'intention d'installer de nouveaux radiotélescopes, tels HERA (Hydrogen Epoch of Reionization Array) et l'OVRO-LWA (Owens Valley Long Wavelength Array). Ce projet constitue un défi car les sources de bruit peuvent être mille fois plus lumineuses sur le plan radioélectrique que le signal qu'ils recherchent, ce qui équivaut à détecter le chant d'un oiseau au milieu d'un ouragan ! Mais à présent qu'ils connaissent le profil et la puissance du signal, c'est déjà un avantage pour l'ajustement du futur récepteur et de son antenne. Affaire à suivre.

Erratum

Dans un article publié dans la revue "Nature" en 2022 (en PDF sur arXiv), Saurabh Singh de l'Université McGill de Montréal et ses collègues ont montré que la découverte de Bowman a mal été interprétée et est donc erronée. Selon les auteurs, "une mesure radiométrique du spectre du ciel radio dans la bande 55–85 MHz[, qui] montre que le profil trouvé par Bowman et al. dans les données prises avec l'instrument basse bande Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature (EDGES) n'est pas d'origine astrophysique ; leur profil le mieux adapté est rejeté avec une confiance de 95.3%. Le profil a été interprété comme une signature de l'Aube Cosmique; cependant, son amplitude était significativement plus élevée que celle prédite par les modèles cosmologiques standard. Notre non-détection confirme les inquiétudes antérieures et suggère que le profil trouvé par Bowman et al. n'est pas la preuve d'une nouvelle astrophysique ou d'une cosmologie non standard."

Troisième partie

Le DES cerne l'énergie sombre