Un nouveau record pour la galaxie la plus lointaine, vu seulement 300 millions d’années après le Big Bang

Depuis que l’astronome de la Renaissance Galilée Galilée a étudié le ciel pour la première fois à l’aide d’un télescope qu’il a lui-même construit, les astronomes ont repoussé les limites de ce qu’ils peuvent observer. Après des siècles de progrès, ils ont pu étudier et cataloguer des objets dans toutes les périodes de l’Univers, sauf les plus anciennes. Mais grâce aux instruments et aux technologies de nouvelle génération, les astronomes pourront bientôt observer l’ère de “l’aube cosmique” – env. 50 millions à milliards d’années après le Big Bang.

Ces dernières années, les astronomes ont fait des découvertes qui préfigurent ce à quoi cela ressemblera, dont la plus récente est la galaxie candidate connue sous le nom de HD1. Cette galaxie est à environ 13,5 milliards d’années-lumière de la Terre (32,2 milliards d’années-lumière en termes de “distance propre”), ce qui en fait la plus éloignée jamais observée. Cette découverte implique que les galaxies existaient déjà 300 millions d’années après le Big Bang, une découverte qui pourrait avoir des implications drastiques pour l’astronomie et la cosmologie !

L’équipe était composée de scientifiques de l’Institut de recherche sur les rayons cosmiques (ICRR) de l’Université de Tokyo, de l’Observatoire astronomique national du Japon (NAOJ), de l’University College London (UCL), du Kapteyn Astronomical Institute, du NASA Goddard Space Flight Center, le Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), la Harvard Black Hole Initiative, le Space Telescope Science Institute (STScI) et plusieurs instituts de recherche et universités.

Le Galaxy GN-z11, illustré dans l’encart, est vu tel qu’il était il y a 13,4 milliards d’années, juste 400 millions d’années après le Big Bang. Crédit : NASA/ESA/P. Oesch (Université de Yale), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Université de Yale) et G. Illingworth (UCSC)

Auparavant, le record de la galaxie la plus éloignée était attribué à GN-z11, découverte par les astronomes Pascal Oesch et Gabriel Brammer du Cosmic Dawn Center, qui fait partie de l’Institut Niels Bohr de Copenhague. La découverte a été faite à partir des données du du télescope spatial Hubble Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS) et le Télescope spatial Spitzer Enquête approfondie sur les origines des grands observatoires (GOODS).

Cependant, GN-z11 était à la limite des capacités de détection de ces télescopes. La découverte de HD1 a été rendue possible grâce à 1 200 heures d’observation effectuées par de multiples télescopes et observatoires dans le monde entier. Ceux-ci comprenaient le télescope Subaru et le télescope infrarouge britannique à l’observatoire du Mauna Kea à Hawaï ; la Télescope spatial Spitzer; et le télescope Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy (VISTA) à l’Observatoire de Paranal au Chili.

Yuichi Harikane, professeur adjoint d’astrophysique à l’ICRR, a dirigé l’équipe qui a découvert HD1. “Il a été très difficile de trouver HD1 parmi plus de 700 000 objets”, a expliqué Harikane dans un récent communiqué de presse de l’ICRR. “La couleur rouge de HD1 correspondait étonnamment bien aux caractéristiques attendues d’une galaxie à 13,5 milliards d’années-lumière, ce qui m’a donné un peu la chair de poule quand je l’ai trouvée.”

L’équipe a ensuite effectué des observations de suivi à l’aide de l’Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) pour confirmer la distance de HD1. Ces résultats ont corroboré leurs découvertes précédentes, montrant que HD1 était un objet particulièrement brillant il y a 13,5 milliards d’années, ce qui en fait un candidat solide pour la galaxie. Akio Inoue, professeur à l’Université Waseda, a dirigé les observations d’ALMA. Comme il l’a indiqué :

“Nous avons trouvé un signal faible à la fréquence où une ligne d’émission d’oxygène était attendue. La signification du signal est de 99,99 %. Si ce signal est réel, c’est la preuve que HD1 existe à 13,5 milliards d’années-lumière, mais nous ne pouvons pas en être sûrs sans une signification de 99,9999 % ou plus. »

Schéma des premières galaxies candidates et de l’évolution de l’Univers. Crédit : Harikane et al./NASA/ESA/ et P. Oesch (Université de Yale)

Les informations d’observation sur HD1 sont encore limitées, ce qui signifie que ses propriétés physiques ne sont pas encore bien contraintes. Par exemple, les scientifiques ne sont pas encore certains si sa luminosité résulte du fait qu’il s’agit d’une galaxie très active en formation d’étoiles ou d’un trou noir actif. L’une ou l’autre possibilité présente des opportunités passionnantes pour de futures observations avec des télescopes de nouvelle génération. HD1 a été sélectionné comme cible pour les observations du cycle 1 avec Télescope spatial James Webb (JWST), qui devrait recueillir sa première lumière d’ici l’été.

Au-delà de l’établissement potentiel d’un nouveau record de distance, la possibilité que HD1 soit une galaxie précoce a des implications considérables pour les astronomes et les cosmologistes. En gros, cela démontrerait que des objets brillants existaient déjà dans l’Univers à peine 300 millions d’années après le Big Bang. Ceci est incompatible avec les modèles actuels de formation des galaxies et d’évolution cosmique, qui théorisent que les premières galaxies ne sont apparues qu’environ un milliard d’années après le Big Bang.

Cependant, des observations récentes qui ont repoussé les limites de nos instruments actuels ont forcé les scientifiques à reconsidérer cela. Dit Yuichi Harikane, qui dirigera ces observations :

« Si l’observation spectroscopique confirme sa distance exacte, HD1 sera la galaxie la plus éloignée jamais enregistrée, 100 millions d’années-lumière plus loin que GN-z11. Nous avons hâte de voir l’Univers avec le télescope spatial James Webb. »

L’article qui décrit leurs conclusions paraîtra dans le numéro du 8 avril de Le Journal Astrophysique.

Lectures complémentaires : ICRR, Le Journal Astrophysique

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