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Hubble révèle comment une jeune galaxie a transformé tout son voisinage cosmique
Le télescope spatial Hubble a détecté de la lumière ultraviolette ionisante émise par une galaxie vieille de 12,37 milliards d’années, MXDFz4.4. Ses étoiles massives ont dissipé le brouillard d’hydrogène neutre qui rendait l’univers primitif opaque. L’étude, publiée hier dans The Astrophysical Journal, recule de 200 millions d’années le repère de la réionisation directement observée.
Durant son premier milliard d’années, l’univers était impénétrable aux ultraviolets. Un épais brouillard d’hydrogène neutre en absorbait toute trace, et les astronomes ne pouvaient remonter jusqu’aux sources de lumière énergétique. Comment ce brouillard s’est-il dissipé ? Grâce aux trous noirs supermassifs actifs et aux premières générations d’étoiles chaudes et massives. Jusqu’ici, le gaz neutre lui-même absorbait les ultraviolets avant qu’ils n’atteignent les instruments. L’identification directe était donc impossible.
Ilias Goovaerts, chercheur postdoctoral au Space Telescope Science Institute (STScI) de Baltimore, a dirigé Hubble vers MXDFz4.4, une galaxie repérée dans le champ extrêmement profond du spectrographe MUSE du Very Large Telescope de l’ESO, au Chili. Ce spectrographe a établi que la galaxie existait 1,4 milliard d’années après le Big Bang, soit à un décalage vers le rouge de 4,4. Hubble y a détecté de la lumière ultraviolette ionisante, redécalée en lumière visible après 12,37 milliards d'années de voyage.
« Observer une galaxie comme celle-ci était considéré comme impossible, a-t-il déclaré. Les chercheurs s'attendaient à ce que le »brouillard« d'hydrogène neutre soit trop épais pour laisser passer sa lumière ionisante. Hubble a non seulement détecté cette lumière, mais aussi révélé des détails extraordinaires sur les caractéristiques de la galaxie ».
MXDFz4.4 est cent fois plus petite en superficie que notre galaxie, mais son taux de formation stellaire la dépasse dix fois. À l’intérieur, un amas compact d’étoiles jeunes, chaudes et très massives concentre l’essentiel de l’activité. « Beaucoup d'étoiles jeunes, chaudes et massives dans un petit espace font un bien meilleur travail pour traverser un gaz opaque », a précisé Ilias Goovaerts. L’équipe estime que 50 à 100 % de la lumière ionisante produite par ces étoiles s’échappe effectivement du gaz environnant, un taux que les chercheurs n’avaient jamais mesuré aussi haut à cette époque.
Ces étoiles massives brûlent leur carburant en quelques millions d’années avant d’exploser en supernovæ. Ces explosions creusent dans le gaz des bulles de plusieurs années-lumière, ouvrant des couloirs supplémentaires par lesquels la lumière ionisante peut s’échapper.
En croisant les données de Hubble avec celles du télescope James Webb, l’équipe a reconstitué l’histoire stellaire de MXDFz4.4. Le télescope a sondé les étoiles plus anciennes et plus froides, inaptes à ioniser leur environnement, tandis qu’Hubble isolait les étoiles jeunes responsables des ultraviolets. De ce rapprochement, l'équipe tire la preuve que la formation stellaire s’est produite par bouffées successives, chacune produisant une nouvelle vague de rayonnement ionisant. « Sans Webb pour clarifier ce que nous voyions dans les images de Hubble, nous n'aurions pas pu tirer ces conclusions », a indiqué Marc Rafelski, co-auteur de l’étude et directeur adjoint de la mission Hubble au STScI.
Hubble observe cette galaxie environ 250 millions d’années après qu’elle a achevé la réionisation de son voisinage immédiat. Avant cette découverte, la détection directe de photons ionisants remontait au plus à 1,6 milliard d'années après le Big Bang. MXDFz4.4 recule ce repère de 200 millions d'années supplémentaires. « Les observations de Hubble sur MXDFz4.4 nous permettent de tester nos hypothèses bien plus près de l'Ère de Réionisation qu'auparavant », a ajouté Marc Rafelski. « Trouver d'autres galaxies, notamment à des époques cosmiques légèrement plus tardives où des échantillons plus larges sont accessibles, nous permettrait d'affine