Découverte de l’univers : Une équipe internationale dirigée par un chercheur de l’Université de Tel-Aviv détermine les caractéristiques des premières galaxies 200 millions d’années après le big bang

Une équipe internationale d’astrophysiciens, dirigée par le Prof. Rennan Barkana de l’École de physique et d’astronomie de l’Université de Tel-Aviv, a réussi, pour la première fois, à déterminer les propriétés des premières galaxies de l’univers qui se sont formées environ 200 millions d’années après le Big Bang. Selon leurs calculs, ces galaxies étaient petites et obscures, plus sombres que celles d’aujourd’hui, et convertissaient moins de 5 % de leur réserve de gaz en étoiles.

Barkana RennanBarkana Rennan

L’étude, menée en collaboration avec le groupe SARAS, sous la direction du Dr. Anastasia Fialkov, de l’Institut d’astronomie de l’Université de Cambridge en Angleterre, elle-même ancienne doctorante du Prof. Barkana, a été publiée dans la prestigieuse revue Nature Astronomy.

 

« Il s’agit d’un domaine très nouveau et de la première étude de ce type », explique le Prof. Barkana. « Nous essayons de comprendre les premières étoiles de l’univers, à la période surnommée « l’Aube cosmique », environ 200 millions d’années après le Big Bang. Le nouveau télescope spatial James Webb, par exemple, ne peut pas vraiment discerner ces étoiles, mais seulement certaines galaxies particulièrement brillantes d’une période un peu plus tardive. Notre ambition est de réussir à déterminer les propriétés de l’ensemble des premières étoiles ».

L’Aube cosmique

Selon le modèle en vigueur, avant que les étoiles ne commencent à produire des éléments plus lourds dans leur noyau, notre univers n’était rien de plus qu’un nuage d’atomes d’hydrogène résultant du Big Bang (en plus de la matière noire). Aujourd’hui encore, la majeure partie de l’univers est constituée d’hydrogène gazeux. Mais dans l’univers actuel, la majeure partie de cet hydrogène est ionisée en raison du rayonnement des étoiles.

Galaxies anciennes

«Les atomes d’hydrogène émettent un rayonnement électromagnétique à une longueur d’onde de 21 cm, qui se situe dans la gamme des ondes radio », explique le Prof. Barkana. « Étant donné que le rayonnement des étoiles a modifié la propagation d’énergie émise par les atomes d’hydrogène, l’idée est d’utiliser celui-ci comme un détecteur de ces premières étoiles : si nous réussissons à repérer l’effet de ces étoiles sur l’hydrogène, on pourra savoir quand elles sont nées, comment elles se sont ordonnées à l’intérieur des galaxies, etc. Je suis l’un des premiers théoriciens à avoir développé cette idée il y a déjà 20 ans, mais ce n’est qu’à présent qu’on parvient à l’appliquer au niveau de l’observation. Partout dans le monde, des groupes de recherche tentent de découvrir de la raie spectrale des 21 cm de l’hydrogène dans l’enfance de l’univers ».

L’un d’entre eux, le groupe EDGES de l’Université d’Arizona et du MIT, utilise pour cela une antenne radio relativement petite qui mesure le rayonnement radio moyen provenant de différentes périodes de l’aube cosmique dans le ciel. En 2018, le groupe EDGES a annoncé avoir détecté le signal des 21 cm de l’onde radio provenant d’anciens atomes d’hydrogène signalant la naissance des premières étoiles.

Un signal du passé

Le problème est qu’il est difficile de prouver qu’il s’agit bien du signal émis par les premiers atomes d’hydrogène ayant absorbé le rayonnement des premières étoiles, et non d’un signal provenant de la conductivité électrique de la poussière sous le téléscope », explique le Prof. Barkana. « C’est pourquoi on attendait une autre mesure indépendante qui confirmerait ou infirmerait cette découverte. L’an dernier, des astronomes indiens ont mené une autre expérience du nom de SARAS. Cette fois, le téléscope utilisé flottait dans un lac, pour minimiser les risques de production d’interférences ressemblant au signal recherché. Selon les résultats de l’expérience SARAS, il y a 95 % de chances que le signal perçu par EDGES ait été le résultat d’une telle interférence ».

« L’expérience SARAS a en fait trouvé la limite supérieure du signal dans le ciel qui s’avère être nettement plus faible que celui que EDGES pensait avoir détecté. En supposant que la mesure du télescope SARAS soit correcte, nous avons vérifié quelles étaient ses implications pour les premières galaxies, c’est-à-dire quelles étaient leurs propriétés en fonction de la limite supérieure du signal. C’est la première fois que nous pouvons réfuter l’existence de galaxies d’un certain type à une période aussi ancienne ».

« Les galaxies d’aujourd’hui, comme notre Voie lactée, émettent énormément d’ondes radio. Nous avons déterminé une première limite supérieure au rythme de production des étoiles par les premières galaxies, et à l’ensemble de leurs émissions radio. Ce n’est que le début. Des expériences de plus en plus sophistiquées sont menées chaque année, dans le but d’obtenir une première image de l’Aube cosmique. Nous espérons que bientôt nous disposerons non seulement de limites, mais aussi de mesures précises et fiables du signal », conclut le Prof. Barkana.

www.ami-universite-telaviv.com
1. Le Prof. Barkana (Crédit: Université de Tel-Avv)
2. Anciennes galaxies vues du téléscope James webb de la NASA (Crédit: site de la NASA – Avec l’autorisation du porte-parole de l’Université de Tel-Aviv)

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