Des observations effectuées au moyen d'ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) et du Very Large Telescope (VLT) de l'ESO ont permis à des astronomes de dater le début de la formation d'étoiles au sein de la très lointaine galaxie MACS1149-JD1 à une époque bien plus reculée que ce que l'on supposait - 250 millions d'années seulement après le Big Bang. Cette découverte s'accompagne de la détection la plus distante d'oxygène dans l'Univers et de la galaxie la plus lointaine observée à ce jour par ALMA ou le VLT. Ces résultats feront l'objet d'une publication au sein de l'édition du 17 mai 2018 de la revue
Nature.
Une équipe internationale d'astronomes a observé, au moyen du réseau ALMA, une galaxie lointaine baptisée MACS1149-JD1. En son sein, ils ont détecté une très faible lueur émise par de l'oxygène ionisé. Lorsque cette lumière infrarouge a traversé l'espace séparant la galaxie source de la Terre, sa longueur d'onde initiale s'est étendue d'un facteur dix sous l'effet de l'expansion de l'Univers. L'équipe en a déduit que le signal avait été émis quelque 13,3 milliards d'années auparavant - soit 500 millions d'années après le Big Bang, par l'oxygène le plus distant détecté à ce jour par un télescope
(1). En outre, la présence d'oxygène atteste de l'existence de générations stellaires antérieures dans cette galaxie.
"J'ai été ravi d'observer la raie de l'oxygène lointain au sein des données d'ALMA", précise Takuya Hashimoto, auteur principal du nouvel article et chercheur à l'Université Sangyo d'Osaka ainsi qu'à l'Observatoire Astronomique National du Japon. "Cette détection repousse les limites de l'Univers observable."
Outre la lueur émise par l'oxygène et capturée par ALMA, une faible raie en émission de l'hydrogène a été détectée par le Very Large Telescope (VLT) de l'ESO. L'une et l'autre observations ont conduit à une même détermination de la distance séparant la Terre de la galaxie en question. MACS1149-JD1 constitue ainsi la galaxie la plus lointaine dont la distance est connue avec précision et la galaxie la plus lointaine observée à ce jour au moyen d'ALMA ou du VLT.
"Cette galaxie nous apparaît telle qu'elle était lorsque l'Univers était âgé de 500 millions d'années seulement. A cette époque reculée, elle abritait déjà une population d'étoiles d'âge avancé", détaille Nicolas Laporte, chercheur à l'University College de Londres (UCL) au Royaume-Uni et second auteur du nouvel article. "Nous sommes donc en mesure d'utiliser cette galaxie pour sonder une période totalement inexplorée et encore plus jeune de l'histoire cosmique."
Peu après le Big Bang, l'Univers demeurait totalement dépourvu d'oxygène. La création de cet élément résulte de la survenue de processus de fusion au sein des premières étoiles avant qu'il ne soit dispersé par des explosions d'étoiles massives. La détection d'oxygène au sein de MACS1149-JD1 suggère donc que les générations stellaires antérieures s'étaient déjà formées et avaient déjà libéré l'oxygène 500 millions d'années après la naissance de l'Univers.
S'ensuit la question de la datation de cette première génération d'étoiles. Afin de répondre à cette problématique, l'équipe a entrepris de reconstituer l'histoire antérieure de MACS1149-JD1 au moyen de données acquises par le Télescope Spatial Hubble du consortium NASA/ESA et par le Télescope Spatial Spitzer de la NASA. Ces données ont ensuite été insérées dans un modèle numérique fixant le début de la formation des étoiles à quelque 250 millions d'années après le Big Bang. La luminosité observée de la galaxie s'en est ainsi trouvée expliquée.
L'âge avancé des étoiles observées au sein de MACS1149-JD1 pose la question suivante: à quelle époque les galaxies ont-elles émergé de l'obscurité totale ? En d'autres termes, de quelle époque dater la fameuse "aube cosmique" ? L'établissement de l'âge de MACS1149-JD1 a permis à l'équipe de démontrer que les galaxies existaient antérieurement à celles que nous détectons actuellement au moyen de la méthode directe.
Richard Ellis, astronome émérite à l'UCL et co-auteur de l'article, conclut ainsi: "La datation de l'aube cosmique constitue le Graal de la cosmologie et de la formation galactique. Grâce à ces nouvelles observations de MACS1149-JD1, nous nous approchons de l'époque à laquelle remonte la toute première lumière stellaire ! Et parce que nous sommes tous constitués de poussière d'étoiles, cela équivaut à découvrir nos propres origines."
Notes
(1) ALMA a, à plusieurs reprises, établi le record de détection de l'oxygène le plus lointain. En 2016, Akio Inoue de l'Université Sangyo d'Osaka et ses collègues ont détecté, au moyen d'ALMA, une raie de l'oxygène émise 13,1 milliards d'années auparavant. Quelques mois plus tard, Nicolas Laporte de l'University College de Londres a utilisé ALMA pour capturer un signal de l'oxygène datant de 13,2 milliards d'années. Aujourd'hui, l'une et l'autre équipes ont réuni leurs efforts et établi un nouveau record correspondant à un "redshift" de 9,1.