La réionisation de l’Univers

Le champ XDF
Cette image exceptionnelle, publiée en septembre 2012 et appelée XDF (eXtreme Deep Field), est le résultat de dix ans d’observation d’une même partie du ciel par le télescope spatial Hubble. Cette région se trouve dans la constellation du Fourneau, dans l’hémisphère sud, et a été choisie parce qu’elle ne contient pas d’étoile brillante qui aurait gêné l’observation du ciel profond. Le temps de pose combiné de toutes les observations est de deux millions de secondes, soit environ 23 jours. On observe environ 5500 galaxies sur l’image et les galaxies les plus lointaines apparaissent telles qu’elles étaient à peine 450 millions d’années après le Big Bang, une époque qui est encore mal connue. Crédit : NASA/ESA/G. Illingworth/D. Magee/ P. Oesch/ R. Bouwens/HUDF09 Team

Des astrophysiciens ont annoncé en juin 2011 la découverte du quasar le plus lointain de l’époque. Un quasar est une galaxie très éloignée et très lumineuse, dans ce cas particulier six mille milliards de fois la luminosité du Soleil. Le phénomène s’explique par la présence au centre de la galaxie d’un trou noir supermassif, de deux milliards de fois la masse du Soleil dans ce cas précis. Le trou noir est entouré d’un disque de gaz et de poussières en rotation, dont l’énergie gravitationnelle est transformée en énergie thermique et qui émet en conséquence un rayonnement très puissant.

Comme le quasar est extrêmement éloigné, nous le voyons tel qu’il existait dans un passé très lointain. La lumière que nous observons aujourd’hui a quitté le quasar à une époque où l’Univers n’était âgé que de 770 millions d’années. Elle a voyagé pendant 12,9 milliards d’années avant d’être finalement capturée par nos télescopes.

Cette époque très éloignée correspond à l’ère de réionisation de l’Univers, la période où le rayonnement des premières étoiles de l’Univers commence à illuminer celui-ci et à ioniser ses atomes, entre à peu près 150 et 800 millions d’années après le Big Bang.

Il s’agit donc d’une occasion fantastique d’étudier l’Univers dans cette période lointaine. L’observation pose déjà un défi à certaines théories. En effet, la formation des trous noirs supermassifs dans l’Univers primordial devait en théorie être très graduelle et il est pour le moment difficile d’expliquer une masse de deux milliards de soleils à une époque où l’Univers était encore si jeune.

ULAS J1120+0641

Le quasar s’appelle ULAS J1120+0641. Il a été découvert après cinq ans d’analyse des données du recensement de galaxies ULAS (UKIDSS Large Area Survey), l’un des cinq recensements du projet UKIDSS (UKIRT Infrared Deep Sky Survey), à partie du télescope de 3,8 mètres UKIRT à Mauna Kea. Après sa découverte, la distance au quasar a été déterminée par des observations spectroscopiques avec le Very Large Telescope au Chili et le télescope Gemini de l‘hémisphère nord.

Ce genre d’observations doit se faire dans l’infrarouge, car l’expansion de l’univers décale la lumière des corps lointains vers des longueurs d’onde plus grandes. Ainsi, une galaxie lointaine qui brille normalement en lumière visible ou ultraviolette s’observera dans l’infrarouge. Ce décalage s’exprime par un nombre qu’on appelle le décalage vers le rouge et qui mesure la variation de longueur d’onde par rapport à la longueur d’onde initiale. Dans ce cas précis, le décalage vers le rouge est de 7.085.

Ce quasar n’est pas le corps le plus lointain jamais observé puisqu’un sursaut gamma a été détecté avec un décalage de 8.2 et une galaxie avec un décalage de 8.6.