La première lumière de l'univers

Pourquoi l’univers ressemble-t-il à cela ? C’est l’une des questions ouvertes en astrophysique et en physique en général. Au cours de son premier milliard d’années, l’univers a évolué d’une soupe désordonnée de particules de haute énergie à un ensemble plus organisé de galaxies et d’étoiles, mais de nombreux détails de ce processus nous échappent encore.

Dans une étude récente, une équipe internationale de chercheurs a analysé les observations du télescope spatial James Webb, en se concentrant sur les galaxies naines de l'univers primitif, et a découvert que ces galaxies émettaient de la lumière à une intensité beaucoup plus élevée que prévu. Cette recherche représente une avancée majeure dans notre compréhension des premières sources de lumière de l’univers.

Immédiatement après le Big Bang, l'univers a connu une expansion rapide, atteignant des températures et des niveaux d'énergie extrêmement élevés : la température moyenne des particules dans l'univers était d'environ 10^30 degrés Celsius.

À une chaleur aussi intense, les particules subatomiques ne pouvaient pas se lier les unes aux autres et étaient donc dépourvues de matière telle que nous la connaissons aujourd'hui. Environ une seconde plus tard, l’univers s’est refroidi à environ un milliard de degrés et des particules subatomiques – les éléments constitutifs de la matière selon le modèle standard de la physique des particules – ont été créées, liées et formées de protons et de neutrons.

Au moment où l’univers avait environ vingt minutes, il s’était déjà refroidi à des températures de plusieurs centaines de milliers de degrés Celsius. Ensuite, les protons et les neutrons ont commencé à se lier aux ions hydrogène, hélium et lithium.

En raison de la température élevée de l’univers, les particules conservaient une énergie très élevée, de sorte que les électrons étaient incapables de se lier aux protons pour former des atomes stables. En conséquence, une grande partie de l’univers existait dans un état de plasma, un environnement de particules chargées électriquement en orbite les unes avec les autres. Ce plasma bloquait le rayonnement électromagnétique, empêchant la lumière de se propager librement dans tout l’univers.

Au cours des 370 000 années suivantes, l’univers a continué à se refroidir jusqu’à ce que sa température atteigne environ 4 000 degrés. À ce stade, les électrons ont finalement pu se lier au plasma, créant ainsi des atomes neutres. Le rayonnement de fond cosmique, qui donne un aperçu des débuts de l’univers, a été libéré au cours de cette phase. Ce rayonnement était capable de parcourir de longues distances jusqu'à nous car il n'était pas gêné par la présence de plasma.

À cette époque, alors que l’univers avait environ 400 000 ans, il était principalement constitué d’atomes neutres d’hydrogène et d’hélium répartis uniformément dans l’espace. Il n'y avait pas d'étoiles, de galaxies ou d'autres corps célestes complexes qui nous soient familiers dans le ciel nocturne d'aujourd'hui. En particulier, il n’y avait aucune source de lumière et l’univers était plongé dans l’obscurité.

Ce n’est que 20 millions d’années plus tard, alors que l’univers continuait à s’étendre et à se refroidir considérablement, que les plus anciennes sources de lumière de l’univers se sont formées. Les astrophysiciens qui étudient l’histoire de l’univers ne sont toujours pas sûrs de la nature et de l’origine de ces sources lumineuses, ni de la date et de la manière dont elles ont été créées.

Les théories dominantes concernant les sources de lumière les plus anciennes de l’univers suggèrent qu’il pourrait s’agir de trous noirs massifs, de galaxies massives ou de jeunes étoiles. Une théorie globale expliquant la formation des étoiles et des galaxies dans l'univers primitif n'a pas encore été formulée, et les physiciens tentent toujours de comprendre quand et comment les premières sources de lumière sont apparues dans l'univers.

Grâce au télescope spatial James Webb, lancé fin 2021, des chercheurs ont entrepris d’observer des galaxies très lointaines. Puisque la lumière se déplace à une vitesse finie, la lumière provenant de galaxies lointaines met beaucoup de temps à nous atteindre. Les chercheurs ont concentré leurs observations sur la lumière émanant de galaxies il y a environ 13 milliards d’années et qui atteint désormais le télescope, leur permettant ainsi d’entrevoir les processus qui se sont produits au début de l’univers.

Ces galaxies lointaines nous apparaissent telles qu’elles étaient il y a des milliards d’années, lorsqu’elles étaient de jeunes galaxies émettant moins de lumière que les autres corps cosmiques. Il est donc difficile d’observer des galaxies aussi lointaines avec les méthodes conventionnelles.

Pour contourner ce problème, les chercheurs ont utilisé une technique de pointe : basée sur la théorie de la relativité générale d'Einstein, qui proposait que des masses lourdes pouvaient déformer l'espace et courber le trajet de la lumière passant à proximité d'elles.

Les chercheurs se sont concentrés sur les galaxies situées derrière l'amas massif de galaxies Abell 2744, qui, en raison de sa grande masse, agit comme une lentille gravitationnelle, grossissant et focalisant la lumière venant de derrière lui. Cela a permis aux chercheurs d’augmenter la quantité de lumière atteignant le télescope, facilitant ainsi des observations plus précises.

Les chercheurs ont analysé la lumière provenant des galaxies naines, qui ne contiennent qu’environ un milliard d’étoiles. À titre de comparaison, la Voie lactée dans laquelle nous vivons contient des centaines de milliards d’étoiles. Les chercheurs ont soigneusement analysé les observations et ont découvert que ces galaxies naines émettent un rayonnement quatre fois plus puissant que prévu.

De plus, ces galaxies naines étaient plus courantes dans l’univers primitif que les galaxies plus grandes. En conséquence, les chercheurs s’attendent à ce que la majorité des premières sources de lumière de l’univers soient des galaxies de ce type.

Cette étude est un autre exemple des réalisations scientifiques réalisées avec l’aide du télescope spatial James Webb. Bien que les résultats soient remarquables, les chercheurs soulignent que davantage d’études, notamment des observations sur un échantillon plus large de galaxies, sont nécessaires pour renforcer leurs conclusions.