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Publié le 11 Avril 2025 par Céphéides

DE L’ASTRONOMIE : l'univers des origines

ultra deep field — télescope spatial Hubble : deep field (champ profond)

Dans un article de ce blog datant d’une quinzaine d’années, nous nous étions intéressés aux premiers instants de l’univers et plus particulièrement aux premières galaxies (voir : « avant le Big bang » et « les premières galaxies »). L’essentiel des informations que nous possédions alors provenaient des observations de « l’espace profond » (deep field) effectuées par le télescope spatial Hubble et les articles se terminaient sur les renseignements complémentaires indispensables que ne manquerait pas de nous donner le télescope spatial James Webb (JWST) dont le lancement encore en projet était à venir. Aujourd’hui, les premiers résultats de ce super outil commencent à nous arriver : confirment-ils ce que nous supposions alors ou peuvent-ils nous faire douter de la validité du modèle standard de la cosmologie ?

Les (quasi)certitudes

La théorie de la relativité générale fournit un cadre décrivant la structure de l’espace-temps même aux plus grandes échelles observées et jusqu’au comportement des trous noirs et l’existence des ondes gravitationnelles. En complément, la physique des particules et la mécanique quantique théorisent les formations stellaires depuis leurs naissances jusqu’à leurs morts en supernovas ou naines blanches. Les scientifiques connaissent à présent le taux d’expansion de l’univers, la répartition de ses constituants, son âge (13,8 milliards d’années) et peuvent remonter jusqu’aux conditions qui régnaient un milliardième de seconde après le Big bang.

Évidemment, il reste encore des inconnues comme, par exemple, la véritable nature de la matière noire qui antagonise la gravité dans les galaxies ainsi que celle de l’énergie noire qui explique l’accélération de l’expansion universelle.

rayonnement fossile par Planck en 2013 — fonds diffus cosmologique par le satellite Planck (2013)

La possibilité qui nous est donnée de comprendre ces événements anciens s’appuient notamment sur l’étude du fonds diffus cosmologique ou CMB pour Cosmic Microwave Background (voir : fonds diffus cosmologique). Ce fonds diffus, également appelé rayonnement fossile, date d’il y a 380 000 ans après le Big bang et il est l’éclat résiduel de ce dernier. À cette époque très lointaine, l’univers était uniquement un brouillard de particules ionisées, très dense, brûlant et opaque. Puis cet univers s’est refroidi en s’étirant et en créant un espace dans la non existence (c’est toujours le cas). De ce fait, électrons et protons ont formé des atomes d’hydrogène ce qui a entraîné la disparition du brouillard et la libération brutale de la lumière. Et c’est cette lumière qui nous apparaît aujourd’hui sous la forme de ce rayonnement fossile avec la possibilité d’en observer les infimes irrégularités nous expliquant l’univers tel que nous le connaissons.

Puis ce fut à nouveau l’obscurité, ce que les scientifiques appellent les « âges sombres de l’univers », les premières étoiles n’ayant pas encore eu le temps de se former, une époque que nos télescopes les plus performants (même le JWST) ne peuvent visualiser. Les premières étoiles et/ou galaxies finirent par apparaître et on évoque alors une époque appelée « aube cosmique ». Les modèles théoriques avancent des chiffres : les premières étoiles seraient apparues entre quelques dizaines à cent millions d’années, juste après un hypothétique stade des trous noirs primordiaux, ces trous noirs supposés avoir la taille d'un atome mais une masse de plusieurs milliards de tonnes (les scientifiques n'ont encore encore aucune preuve de leur existence mais ils pourraient selon eux apporter enfin une explication à la matière noire...).

trou noir hypothétique des débuts de l'univers — trou noir primordial (vue d'artiste)

Nous savons à présent avec certitude que c’est durant le milliard d’années qui suivit que galaxies et premières étoiles firent revenir la lumière ; toutefois, la présence de gigantesques quantités d’hydrogène primordial ralentit sa propagation jusqu’à que les premiers objets se mettant à briller, les intenses émissions de rayons X et ultraviolets des astres nouveaux purent casser les atomes d’hydrogène en protons et électrons lors de ce que les scientifiques appellent la période de réionisation.

Le temps continuant à s’écouler, après quelques centaines de millions d’années d’expansion, l’univers s’est agrandi permettant à la matière de se diluer et de former l’espace intergalactique transparent à la lumière. Les propriétés des premières galaxies et des étoiles primordiales sont mal connues car lointaines (dans l’espace et dans le passé). C’est tout l’intérêt des nouveaux outils comme le JWST (et de nouveaux télescopes terrestres à longue portée actuellement en construction) que de nous faire découvrir l’univers des débuts lorsqu’il n’était âgé que de 300 millions d’années.

Les premières données du télescope James Webb ne sont toutefois pas tout à fait conformes à ce que les spécialistes de la cosmologie attendaient. L’univers du début est finalement assez sensiblement différent de celui que nous connaissons : on y trouve un cosmos plus dense avec des pouponnières stellaires éparpillées au sein de galaxies plus petites.

le jeune univers vu par le JWST

premier amas lointai vu par le télescope spatial James Webb — amas de galaxies SMACS 0723, premier champ profond du JWST

Le télescope spatial James Webb identifie des galaxies jusqu’à ce que les astronomes appellent un « redshift » de z>14 soit un âge de l’univers d’environ 300 millions d’années. Son prédécesseur, le télescope spatial Hubble arrivait, quant à lui, à « voir » jusqu’ à 500 millions d’années d’âge de l’univers. La principale donnée de cette étude de Hubble était que le nombre de galaxies brillantes augmente avec le temps et il en a donc été déduit par extrapolation que plus l’univers est jeune et moins il y a de galaxies. Logique mais faux : le JWST a montré que, au tout début, les galaxies étaient plus nombreuses que prévu et si leur nombre a été sous-estimé par les scientifiques, c’est que le processus de formation des galaxies primordiales n’est pas totalement bien compris, notamment du fait que la masse moyenne des galaxies observées par le JWST est de l’ordre de 1 milliard de masses solaires soit, certes, 100 fois moins que notre Voie lactée, mais bien plus que ce qui était attendu…

Trois explications viennent à l’esprit des scientifiques pour expliquer ces résultats contradictoires.

* on peut avancer que, contrairement à ce qui paraissait plus logique, la formation des étoiles n’est pas un phénomène continu mais évoluant par vagues, par « poussées ». On sait depuis longtemps qu’il existe dans l’univers qui nous entoure aujourd’hui des galaxies « à flambées d’étoiles » ou à « sursaut de formation stellaire ». Et, de fait, le JWST a repéré un certain nombre de galaxies dites « éteintes » c’est à dire ne formant presque plus ou plus du tout d’étoiles dès avant les 500 millions d’années post Big-bang ;

galaxie à flambée d'étoiles ESO 350-40 dite de la Roue de Chariot par le télescope spatial James Webb — galaxie à sursaut de formation d'étoiles : galaxie de la Roue de Chariot (ESO 350-40) par JWST

* la distribution des galaxies serait différente car plus massives : on peut imaginer que la métallicité, c'est-à-dire l’abondance des éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium omniprésents du début, favoriserait la formation d’étoiles d’emblée plus massives donc de galaxies plus grosses ;

* à moins que, troisième piste, la conversion de gaz en matière stellaire soit plus efficace à cette époque lointaine : peu de phénoménes naturels s’opposaient peut-être à cette transformation alors que supernovas et vents stellaires le font dans les galaxies plus récentes.

Il est parfaitement possible que ce soit l’intrication de ces trois facteurs qui soit susceptible d’expliquer cette proportion plus importante de galaxies lors des premiers instants de l’univers. Mais on peut également avancer une autre hypothèse : il est tout à fait envisageable que quelque chose nous échappe encore et que nous ne comprenions pas parfaitement la génèse des galaxies primordiales et, du coup, les premiers instants de l’univers.

Le modèle standard est-il caduque ?

Il est bien trop tôt pour faire une telle affirmation et c’est tout l’intérêt des prochaines observations du JWST mais également des observatoires terrestres dont la construction est déjà bien avancée, notamment au Chili. Avec un peu de chance (et beaucoup de travail), on va peut-être avancer sur la nature de la matière noire dont on pourrait démontrer qu’une petite partie est à l’œuvre dans la formation des trous noirs primordiaux cités plus avant ce qui permettrait d’expliquer la formation accélérée des premières galaxies. À moins que l’on puisse démontrer que l’énergie noire dont la nature reste parfaitement inconnue évolue au cours du temps ce qui expliquerait le phénomène…

Il semble donc plus que prématuré « d’enterrer » le modèle standard : nous en savons encore trop peu sur les premiers instants de cet univers qui nous abrite pour conclure quoi que ce soit. Ce n’est pourtant pas être trop optimiste que de penser que les années à venir nous donneront probablement un début de solution sur ce grand mystère qu’est le début (pour nous) de toutes choses.

Sources :

* Encyclopaedia Britannica

* Wikipedia US

* revue Pour la Science, n° 569, mars 2025

* revue Pour la Science, n° 570, avril 2025

Images :

1. deep field par Hubble (source : wallpaperacess.com)

2. fonds diffus cosmologique (sources : cosmology.education)

3. vue d'artiste d'un trou noir primordial (sources : science-et-vie.com)

4. amas de galaxies SMACS 0723 par JWST (source : deskpads gallery)

5. galaxie de la Roue du Chariot (source : the-sun.com)

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