Ré-ionisation de l’Univers

Encore maintenant, nous connaissons très mal l’évolution de l’Univers quand il avait moins d’un milliard d’années. En particulier, nous ne savons pas grand-chose sur le mécanisme de ré-ionisation. En cosmologie, la ré-ionisation représente l’époque où un grand nombre d’atomes existant dans l’Univers ont été ionisés par le rayonnement intense de la probable toute première génération d’étoiles à avoir illuminé l’Univers, les étoiles de population III. Ces étoiles, non observées aujourd’hui, sont considérées comme ayant été très massives, et de ce fait, eurent une durée de vie relativement courte. Leur masse importante leur a permis de rayonner à une température suffisamment élevée pour ioniser le milieu interstellaire environnant, ce qui a fait que l’Univers, complètement neutre et donc opaque quand il n’avait qu’environ 380 000 ans, est devenu transparent entre 150 millions et 1 milliard d’années plus tard. L’existence d’une telle phase semble confirmée par l’observation directe en 2011 de galaxies lointaines par le Very Large Telescope de l’ESO. Des galaxies primordiales observées lorsque l’âge de l’univers était de moins de 780 millions à 1 milliard d’années4 aurait une émission plus faible dans l’ultraviolet que les galaxies observées plus tard. Cela peut s’interpréter par une phase de ré-ionisation, 780 millions à 1 milliard d’années après le Big Bang, qui aurait rendu l’Univers transparent aux radiations ultraviolettes.

L’origine des photons responsables de cette ré-ionisation n’a pas encore été identifiée. Le rôle qu’auraient pu jouer les galaxies de faibles luminosités est souvent invoqué.

Cette image de haute résolution du Champ Ultra Profond de Hubble (Hubble Ultra Deep Field, HUDF) montre des galaxies d’âge, de forme et de couleurs variés. Les galaxies les plus petites et les plus rouges (environ 100) sont les galaxies les plus lointaines ayant été observées par un télescope optique. Sur cette version 2014 du champ ultra profond d’Hubble, les galaxies les moins brillantes sont 10 milliards de fois moins lumineuses que les plus faibles étoiles visibles à l’œil nu, et nous montrent l’Univers tel qu’il se présentait dans un lointain passé, quelques centaines de millions d’années après le Big Bang. L’image a pu être réalisée par l’addition significative de données dans l’ultraviolet au célèbre champ profond d’Hubble réalisé dans la constellation du Fourneau. Ce champ ultra profond couvre à présent toute la gamme spectrale des caméras d’Hubble, depuis l’ultraviolet jusqu’à l’infrarouge proche en passant par le visible. Les données en ultraviolet offrent la possibilité cruciale d’étudier les processus de formation stellaire dans les galaxies situées à une distance comprise entre 5 et 10 milliards d’années-lumière.

Place de l’âge de ré-ionisation dans la chronologie de l’univers, de 400 millions à 1 milliard d’années après le Big Bang. Le JWST sera capable de regarder en arrière à une époque quand les premiers objets lumineux (les étoiles et les galaxies) se formaient.

Avec une surface collectrice de lumière presque dix fois supérieure à celle du HST et des instruments sensibles au rayonnement infrarouge, le JWST sera capable de capter des rayonnements émis il y a des milliards d’années. Cela permettra de sonder l’univers très jeune et d’observer les premiers objets « lumineux » qui ont éclairé l’univers, il y a environ 13 milliards d’années. Ainsi, en combinant l’extrême sensitivité du JWST avec les télescopes « naturels » que sont les amas de galaxies qui forment des lentilles gravitationnelles qui permettront de détecter ces galaxies intrinsèquement peu lumineuses, il sera possible de les étudier en détail. L’instrument MIRI, dont le CEA sous l’égide du CNES a assuré la conception et la réalisation de la partie imageur, est le seul instrument qui pourra non seulement nous fournir des informations cruciales sur les vieilles étoiles qui peuplent ces galaxies et nous renseigner sur leur contribution au processus de ré-ionisation, mais aussi nous éclairer sur les mécanismes de ré-ionisation à des époques antérieures.

L’exploration de cette période par le JWST va donc apporter de précieuses informations sur les premières sources de lumière (quand sont-elles apparues ? quelle est leur nature ? …) et leur rôle dans la ré-ionisation de la matière, dont dépend la formation des astres suivants. En permettant des observations dans l’infrarouge thermique (longueurs d’ondes de 5 à 27 microns), MIRI sera l’instrument clef pour s’assurer que ce sont bien des objets de l’Univers très jeune qui sont observés.

Ainsi, le JWST, et MIRI en particulier, permettra aux astrophysiciens de faire un pas en avant dans l’identification des premières sources lumineuses de l’Univers et dans la caractérisation des galaxies de faible luminosité qui pourraient être responsables de sa réionisation.

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