grâce aux lentilles gravitationnelles il verrait bien des galaxies 250 millions d’années après le Big Bang

Il y a plus d’un mois, les premières publications concernant les observations du télescope James-Webb, en quête des galaxies primordiales moins de 500 millions d’années après la fin du Big Bang, ont commencé à être déposées sur ArXiv. Il s’agissait d’articles à disposition de la communauté scientifique mais n’ayant pas encore passé les premiers filtres de la critique par les pairs, astrophysiciens et cosmologistes, des équipes à l’origine de ces articles.

La prudence s’imposait. Mais il fallait bien voir aussi que ces équipes se préparaient parfois depuis des années et comptaient des chercheurs expérimentés ayant déjà fait leurs armes avec des observations du télescope Hubble portant sur les plus lointaines galaxies accessibles par les instruments de la noosphère à un moment de son développement.

Des galaxies primitives qui réfutent l’existence de la matière noire  ?

Comme Futura l’expliquait dans un précédent article, les annonces de découvertes de galaxies déjà de grande taille à des décalages spectraux vers le rouge, que les chercheurs évaluent avec un paramètre noté « z », semblaient surprenantes pour certains. Elles questionnaient potentiellement le modèle cosmologique standard avec la matière noire. En effet, il suggère des ordres de grandeur pour le nombre de galaxies d’une taille donnée et à une période donnée de l’histoire du cosmos observable, en fonction des théories de la naissance et de la croissance des galaxies. Rappelons déjà, comme on le verra plus en détail par la suite, qu’un décalage spectral est d’autant plus grand que la lumière provient d’une galaxie lointaine observée telle qu’elle était dans un passé d’autant plus ancien également.

Certains ont plutôt tendance à penser, bien que ce ne soit pas encore démontré, que le modèle cosmologique standard appelé modèle ΛCDM n’est pas favorable à l’observation d’un grand nombre de galaxies ayant déjà atteint une grande taille à des valeurs de z plus élevées que 7-11, comme l’expliquait à ce moment-là le célèbre astrophysicien et cosmologiste états-unien Stacy McGaugh.

Celui-ci est bien connu pour ses travaux basés sur la théorie Mond – acronyme de Modified Newtonian Dynamics en anglais –, qui étudie donc les galaxies, la matière noire… et des théories de la gravité modifiée en tant qu’alternative à l’existence de la matière noire. On lui doit avec l’astrophysicien Benoît Famaey un article de fond sur Mond pour Living Reviews in Relativity.

Stacy McGaugh en avait alors profité pour rappeler que voir de nombreuses galaxies déjà massives tôt est au contraire une prédiction naturelle connue depuis un moment de la théorie Mond, ce qui ouvrait la porte à une réfutation de l’existence de la matière noire. Cela conduirait donc à une révolution en physique et en cosmologie.

Une présentation de l’effet de lentille gravitationnelle. © CEA, Animea – vidéo extraite du documentaire « L’Odyssée de la Lumière »

Or, comme l’expliquait  aussi Futura dans un autre précédent article, dans le cadre de la campagne d’observation Glass (Grism Lens-Amplified Survey from Space), des astrophysiciens ayant mis à profit le télescope James-Webb avaient annoncé avoir découvert des grandes galaxies à des z respectivement de z=11 et z=13, en s’appuyant également sur un effet de lentille gravitationnelle généré par l’amas de galaxies Abell 2744.

Il s’agissait donc de galaxies imagées alors que l’Univers observable n’avait respectivement qu’environ 400 et 300 millions d’années.

Ces chercheurs n’ont pas tardé à être rejoints par une autre équipe qui, elle, a annoncé qu’elle avait un candidat ayant un z = 16,7 montrant donc une galaxie alors que le cosmos observable n’avait que 235 millions d’années depuis la fin du Big Bang, CEERS-93316. Une autre équipe ayant aussi utilisé l’effet de lentille gravitationnelle, mais avec l’amas de galaxies SMACS 0723-23, pense même avoir des candidats de l’ordre de z = 20.

Ces trois exemples accompagnent d’autres publications. Ensemble, elles livrent plusieurs galaxies dont les décalages spectraux sont potentiellement avec des z > 11.

Mais, attention, si des valeurs de z sont bien mises en avant par toutes les équipes, il ne s’agit pas en fait de mesures directes de décalages spectraux pouvant aussi être faites avec les instruments du JWST !

Le télescope est bien équipé comme Hubble de spectrographes, mais les décalages spectraux lointains qu’ils pourront mesurer dans un avenir proche ont d’abord été évalués par deux méthodes indirectes.

Il y a celle donnant un décalage vers le rouge photométrique (photometric redshift, en anglais) et une apparentée qui repose sur ce que l’on appelle la cassure de Lyman (Lyman Break, en anglais).

Ce sont des méthodes déjà utilisées au cours des années 1980 et 1990. Elles ont une certaine fiabilité mais elle n’est pas de 100 %. Divers biais existent aussi dans les observations des galaxies à hauts décalages spectraux, des biais qui peuvent être également instrumentaux et en rapport avec le télescope James-Webb lui-même.

De fait, tout récemment, dans leurs blogs, Stacy McGaugh et un autre cosmologiste de renom, Peter Coles (auteur avec son collègue Francesco Lucchin d’un remarquable traité de cosmologie), ont fait état d’un article déposé sur arXiv suggérant effectivement l’existence d’une erreur de calibration dans les instruments du JWST permettant de faire du décalage vers le rouge photométrique. Certaines des mesures réalisées avec la lentille gravitationnelle de SMACS 0723-23 ont été revues à la baisse en conséquence.

Ainsi une mesure avec un z d’environ 12  devenait un z d’environ 0,1 !

Pour y voir plus clair sur ces importantes questions, Futura a donc demandé quelques précisions à Johan Richard, astronome au CRAL (Observatoire de Lyon) dont le domaine de recherche porte justement sur les effets de lentille gravitationnelle et l’utilisation des amas de galaxies massifs comme télescopes gravitationnels pour rechercher les galaxies les plus distantes et plus généralement sur la formation des galaxies et la détection des premières générations d’étoiles et galaxies comme l’explique sa page web.

Le chercheur est tout particulièrement bien placé pour répondre à nos questions car, avec ses collègues, il a justement publié récemment un article faisant état de la détection avec le JWST de deux galaxies à des décalages spectraux de l’ordre de z = 16 via l’amas Smacs 0723-23.

Mais pour mieux comprendre ses réponses à nos questions, voici quelques rappels.

Le modèle cosmologique relativiste standard

C’est Georges Lemaître qui est le premier à comprendre, au début des années 1930, que le décalage spectral vers le rouge des galaxies observé par Hubble n’est pas dû à un effet Doppler mais à l’étirement des longueurs d’onde des émissions lumineuses du fait de l’expansion de l’espace en cosmologie relativiste. Plus il s’est écoulé du temps entre le moment où un grain de lumière a été émis et le moment où il a été détecté, plus l’effet de dilatation aura été important.

On mesure cette dilatation et donc la durée du voyage par une quantité notée « z » et qui, en gros, donne le facteur de dilatation ; ainsi, un z = 10 correspond à peu près à une longueur d’onde 10 fois plus grande en arrivant sur Terre qu’au moment de l’émission de la lumière. Une raie spectrale ou une bande d’un spectre continue, comme celui de la courbe du corps noir de l’émission d’une étoile, ou une courbe similaire pour la lumière émise par une galaxie, se trouvant dans le visible sera donc observée dans l’infrarouge aujourd’hui par un instrument de la noosphère.

Environ 380.000 années après le Big Bang et en quelques milliers d’années, la température du plasma de l’Univers observable chute suffisamment pour que les premiers atomes se forment, essentiellement des isotopes de l’hydrogène et de l’hélium (par convention en astrophysique tous les autres noyaux sont des métaux et on parle de la métallicité d’une étoile comme une mesure de son contenu en « métaux ») avec aucun noyau plus lourd que le lithium, donc pas de fer, de carbone, de silicium ou d’oxygène qui seront le produit de la nucléosynthèse d’étoiles dans les centaines de millions d’années et de milliards d’années qui vont suivre.

Depuis 13,8 milliards d’années, l’Univers n’a cessé d’évoluer. Contrairement à ce que nous disent nos yeux lorsque l’on contemple le ciel, ce qui le compose est loin d’être statique. Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution. Il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui. © CEA Recherche

Pendant ces premières centaines de millions d’années, la matière baryonique s’effondrant sous l’effet de la force gravitationnelle de la matière noire ne peut le faire pour une masse donnée, dite de Jeans du nom de l’astrophysicien britannique qui l’a définie le premier, qu’avec des valeurs particulières de la température et de la pression. Ce ne sont pas celles que l’on rencontre d’ordinaire dans les nuages de matière dans les galaxies de nos jours.

De plus, toujours de nos jours – c’est-à-dire pour faire simple depuis quelques milliards d’années –, l’effondrement d’une masse de matière pouvant donner des étoiles nécessite à un moment donné pour se poursuivre que la chaleur produite par la compression du gaz s’effondrant soit évacuée sous forme de rayonnement, sans quoi l’effondrement est stoppé. C’est ce que permet de faire les 1 % d’un nuage constitué de poussières silicatées et carbonées, poussières qui n’existaient pas juste après la fameuse époque de la recombinaison il y a 380.000 années, qui est remplacée par l’époque dite des âges sombres pendant laquelle aucune étoile n’a encore allumé son carburant thermonucléaire, ou si peu, que le cosmos observable de l’époque est essentiellement illuminé par le rayonnement fossile émis par la recombinaison.

Les investigations théoriques nous disent donc que les premières étoiles, celles dites de population III – car nées avant les autres dites de population II, puis I pour une jeune étoile comme le Soleil (rappelons qu’en astronomie, les étoiles de population I sont des étoiles riches en métaux dont l’âge varie d’environ 0 à 10 milliards d’années) –,  ne peuvent s’effondrer qu’avec un mécanisme de refroidissement via des molécules d’hydrogène H₂ et le font dans des conditions de température et de densité différentes.

On en a déduit que les étoiles de population III devaient être massives, probablement entre 100 et 1.000 masses solaires, et avec des spectres bien caractéristiques différents des types d’étoiles qui prendront naissance dans les nuages enrichis en métaux qu’elles produiront en explosant en supernovae.

La ré-ionisation, la Terra Incognita

On peut observer à des milliards d’années-lumière des étoiles dans l’ultraviolet et au-delà, ce qui implique que le gaz entre les galaxies ne peut pas être constitué essentiellement d’hydrogène atomique ou moléculaire neutre car, très rapidement, ces gaz absorbent ces rayonnements. Dit autrement, si un astre visé est suffisamment lointain, une grande partie de la composante ultraviolette de son spectre devrait manquer car cette lumière aura traversé un milieu d’hydrogène neutre qui l’aura absorbée.

Il a fallu en conclure qu’à un moment le rayonnement d’astres dans le jeune cosmos observable a ré-ionisé en grande partie l’hydrogène et l’hélium laissés par la nucléosynthèse primordiale pendant le Big Bang.

C’est la période dite de la ré-ionisation qui fait passer des âges sombres à l’aube cosmique et dont on ne sait pas encore très bien quand elle a commencé exactement, ni quand elle s’est terminée.

Grossièrement, car il y a des variantes, on s’accorde tout de même souvent pour dire qu’elle s’est produite entre les décalages spectraux des époques datées avec des z entre 25 et 6. C’est-à-dire entre 130 millions d’années à 950 millions d’années après le Big Bang.

On pense aussi qu’elle est le produit essentiellement du rayonnement ultraviolet des étoiles de population III mais le formidable rayonnement, notamment X, de trous noirs massifs sous forme de quasars accrétant de la matière peut avoir joué un rôle également.

L’un des objectifs du James-Webb est justement de faire la lumière sur ce qui a pu se passer pendant la ré-ionisation avec les premières étoiles et les premières galaxies.

Nous voici mieux armés, après ces longs prolégomènes, pour mieux comprendre le contexte et les explications de Johan Richard.

Futura : Dans votre thèse portant sur les recherches concernant les propriétés des premières étoiles et galaxies, vous rappelez que c’est l’astrophysicien américano-suisse Fritz Zwicky qui a été le premier à comprendre que l’on pouvait se servir de la déviation des rayons lumineux causée par le champ de gravitation d’un astre en relativité générale pour utiliser des amas de galaxies comme de « télescopes gravitationnels » pour observer des galaxies lointaines, donc dans un passé reculé. L’existence de cet effet de lentille grossissante a bien été observée à partir des années 1980 mais on sait qu’il en existe plusieurs variantes. Laquelle est utilisée avec le James-Webb pour explorer l’époque de la ré-ionisation avec des amas ?

Johan Richard : En ce qui concerne le « lensing », selon sa dénomination anglaise, on parle en général d’effet de lentille gravitationnelle fort ou faible. Dans le premier cas, on observe une démultiplication des images d’un astre et des déformations d’images donnant des arcs, voire des anneaux lumineux. Avec un lensing faible, on a seulement des images de galaxies légèrement déformées. Mathématiquement, on est dans un régime dit non linéaire dans le premier cas et linéaire dans le second, selon le jargon standard.

Les deux types de lentilles sont utilisables pour chercher à observer des galaxies lointaines et en fait, en ce qui concerne, par exemple, les récentes observations avec le James-Webb utilisant l’amas de galaxies Smacs 0723, on se trouve dans un régime qui est intermédiaire. Même si des effets de lentilles fortes sont possibles, ils restent très rares.

Futura : Jusqu’où, dans le passé du cosmos observable, pourrait-on remonter avec le JWST en utilisant le « lensing » ?

Johan Richard : Avec le télescope Hubble, la limite était d’environ 500 millions d’années après le Big Bang ; avec le James-Webb, la limite probable devrait être d’environ 150 millions d’années. Cela correspondrait à un décalage spectral de l’ordre de z = 20. Ce sera de toute façon difficile à atteindre, cela va dépendre notamment de la luminosité intrinsèque des objets à un z donné – s’ils sont trop peu lumineux, le JWST ne les verra pas. Il est cependant certain que des objets avec un z = 16, observés alors que l’Univers n’était âgé que d’environ 250 millions d’années, sont déjà à notre portée.

Futura : Pourra-t-on vraiment voir les premières étoiles pendant la ré-ionisation ? L’effet de lentille gravitationnelle typique donne un facteur de grossissement allant de 10 à 20 fois, mais il est souvent dit que ce n’est pas suffisant pour rendre une étoile de type III visible pour le James-Webb. Il est toutefois dit aussi que des facteurs pouvant atteindre 10.000, bien que rares, sont possibles avec certains amas, révélant finalement ces étoiles dans les premières galaxies.

Johan Richard : Ce qui est sûr, c’est qu’elles ont une signature spectrale prédite par la théorie qui les distingue des étoiles que nous connaissons et qui est très caractéristique. Toutefois, on ne devrait pas voir les plus anciennes au tout début de la ré-ionisation car elles étaient encore entourées de beaucoup d’hydrogène neutre, bloquant leur rayonnement qui se faisait essentiellement dans l’ultraviolet. Enfin, si on parle de visibilité pure ce ne sera pas possible de voir une étoile de population III toute seule, mais plutôt de voir un groupe d’étoiles de population III. Les cas extrêmes de lensing avec un facteur 10.000 sont d’autant plus rares que l’amplification est forte donc à moins d’avoir un grand coup de chance je n’y crois que très peu. Je suis beaucoup plus confiant sur la détection potentielle d’un petit amas d’étoiles de population III.

Futura : Que penser des débats quant à la fiabilité des estimations des décalages vers le rouge photométrique avec des Z > 11 déjà obtenus par plusieurs équipes, dont la vôtre ? Certains considèrent qu’ils n’auraient pas dû être annoncés tant que des mesures de décalage spectroscopique classique, qui sont aussi faisables avec le JWST, n’avaient pas confirmé les estimations photométriques des candidats découverts.

Johan Richard : En fait, parmi les galaxies qui semblent primitives avec un z = 16, plus de la moitié ont certainement ce décalage vers le rouge et cela devrait être confirmé par des mesures spectroscopiques portant sur des raies spectrales qui sont en cours avec l’instrument NIRSpec (Near Infrared Spectrograph pour « spectrographe dans le proche infrarouge ») du JWST, mais aussi grâce à l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma).

Il faut noter également que, pour des galaxies auparavant à la limite des observations de Hubble et maintenant au-delà, NIRSpec montre déjà des raies qui ne sont pas limitées à l’hydrogène, comme ce fut le cas avec Hubble. Avec l’aide de Smacs 0723, on voit ainsi déjà la signature de l’oxygène dans ce qui semble être des galaxies avec des z indiquant qu’on les observe il a plus de 12 milliards d’années.

Il n’y avait que deux bandes spectrales pour observer la forme de la Distribution spectrale en énergie ou DSE (en anglais, SED) de la lumière émise par des galaxies lointaines avec les instruments de Hubble. Le JWST en possède plusieurs de plus, de sorte que l’on peut caractériser plus complètement leur DSE et détecter, mesurer avec plus de précision également, une cassure de Lyman. La DSE et la cassure de Lyman se trouvant déplacées vers l’infrarouge du fait de l’expansion, on peut donc en tirer, sans disposer de mesures spectroscopiques des raies spectrales, des estimations crédibles des z.

Mais cela ne permet pas toujours de ne pas être trompé par des galaxies proches riches en poussières d’une part, et d’autre part, par des étoiles rouges « individuelles » provenant simplement de notre Galaxie. En effet, ce sont des exemples de « contaminants » pour la détection de galaxies distantes.