Une équipe de chercheurs, menée par Johan Richard (Centre de recherche et d'Astrophysique de Lyon - CNRS/Université Lyon 1/ENS Lyon) et Jean-Paul Kneib (Laboratoire d'Astrophysique de Marseille – CNRS/Université de Provence) a découvert une galaxie lointaine qui contiendrait des étoiles âgées de 750 millions d'années, plaçant l'époque de sa formation à environ 200 millions d'années après le Big Bang. Ces résultats obtenus grâce aux effets de lentille gravitationnelle d'un amas de galaxies, suggèrent que les premières galaxies se seraient formées bien plus tôt que prévu et apportent un éclairage capital sur leur formation et sur leur évolution au début de l'Univers. Ils seront publiés en avril 2011 sur le site de la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
© NASA, ESA and L. Calcada
D'après Johan Richard, premier auteur de l'article : "les mesures obtenues sur cette galaxie lointaine suggèrent qu'elle aurait commencé à former ses étoiles seulement 200 millions d'années après le Big Bang." La découverte d'une telle galaxie défie les théories de formation et d'évolution des galaxies actuellement en vigueur. Elle pourrait aider à résoudre le mystère concernant la ré-ionisation du gaz d'hydrogène neutre (1) qui remplissait l'Univers à ses débuts.
Cette galaxie a pu être détectée grâce à l'amplification gravitationnelle de l'amas de galaxies Abell 383, dont l'importante force de gravitation, selon la théorie de la Relativité Générale d'Einstein, amplifie les rayons de lumière des galaxies plus distantes à la manière d'une loupe déformante. La découverte de cette galaxie est exceptionnelle car seul un alignement naturel quasi parfait entre la source, l'amas de galaxies et la Terre en a permis la détection.
Ce diagramme explique le principe des lentilles gravitationnelles dans le contexte de notre découverte. L'amas de galaxies situé sur la ligne de visée entre la galaxie et la Terre, déforme l'Espace-Temps et les rayons lumineux de la galaxie lointaine sont déformés et amplifiés. Dans la configuration observée, deux rayons lumineux venant de notre galaxie atteignent directement la Terre. Ce sont ces 2 images que l'on retrouve dans la photographie de l'amas Abell 383 prise par le télescope spatial Hubble.
© NASA, ESA, J. Richard (CRAL) and J.-P. Kneib (LAM)
Les amas de galaxies massifs déforment l'Espace-Temps et sont donc capables de dévier et amplifier la lumière des galaxies lointaines d'arrière-plan. Les amas peuvent alors agir comme loupe pour certaines galaxies bien alignées et permettent ainsi d'identifier des galaxies qui ne seraient pas visibles sinon.
En observant l'amas de galaxie Abell 383 une équipe d'astronomes a identifié une galaxie si lointaine que nous la voyons alors que l'Univers n'avait que 950 millions d'années après le Big Bang. Elle est visible comme deux petits points (marqués) de chaque côté de la galaxie centrale de l'amas.
Sur cette photographie prise par le télescope spatial Hubble, on identifie aussi d'autres images de galaxies fortement déformées apparaissant comme des arcs, mais plus proches que la paire de galaxies identifiée.
© NASA, ESA, J. Richard (CRAL) and J.-P. Kneib (LAM)
La galaxie a tout d'abord été identifiée avec le télescope spatial Hubble (NASA – ESA), puis confirmée sur des images du télescope spatial Spitzer (NASA). L'équipe a ensuite effectué des observations spectroscopiques avec le télescope Keck-II à Hawaï pour mesurer sa distance. Le décalage vers le rouge (redshift en anglais) (2) mesuré spectroscopiquement est de 6,027, ce qui signifie que cette galaxie est vue telle qu'elle était lorsque l'Univers était âgé d'environ 950 millions d'années. Contrairement aux autres galaxies lointaines détectées possédant en majorité des étoiles jeunes, elle contiendrait des étoiles âgées de 750 millions d'années, plaçant l'époque de sa formation à environ 200 millions d'années après le Big Bang.
Cette découverte apporte des informations essentielles sur la période de formation des premières galaxies, mais pourrait également expliquer comment l'Univers est devenu transparent aux rayons UV dans le premier milliard d'années après le Big Bang. Au début de l'Univers, un gaz diffus d'hydrogène neutre bloque le cheminement de la lumière ultraviolette dans l'Univers. Pour laisser passer ces rayons UV, des sources de rayonnement important doivent progressivement ioniser l'hydrogène neutre. Les toutes premières populations d'étoiles telles que celles présentes dans cette galaxie lointaine pourraient jouer un rôle important dans ce processus de ré-ionisation de l'hydrogène neutre.
"Il semble probable qu'il existe en fait, dans l'Univers primitif, un plus grand nombre de galaxies formées à la même période que celle que nous avons découverte, » explique Jean-Paul Kneib. "Ces galaxies qui se formeraient alors très tôt dans l'Univers pourraient fournir le rayonnement manquant nécessaire à la ré-ionisation."
Actuellement, les galaxies de ce type ne sont détectables qu'au travers des amas massifs jouant le rôle de télescopes cosmiques. Dans les prochaines années, le télescope James Webb (NASA/ESA/CSA), dont le lancement est prévu au cours de cette décennie, étudiera de manière détaillée cette nouvelle population de galaxies, tout comme, à plus long terme, le futur télescope géant européen (E-ELT) de l'ESO.
Notes :
(1) A la suite du Big Bang, les protons et les électrons se sont combinés pour former des atomes d'hydrogène neutre qui sont opaques au rayonnement UV. La re-ionisation est le processus qui a re-ionisé l'hydrogène neutre en protons et électrons au cours du premier milliard d'années de l'Univers, le rendant à nouveau transparent aux rayons UV. Les premières galaxies sont actuellement considérées comme les objets célestes principalement responsables de la ré-ionisation.
(2) Le décalage vers le rouge de la distribution de lumière mesuré dans le spectre de la galaxie permet d'en évaluer la distance d'éloignement de la Terre.
