De nombreuses étapes du développement initial de l’univers restent inexpliquées. Une énigme importante concerne les origines des premières sources de lumière de l’univers, qui nous sont observables. Une nouvelle étude basée sur les observations du télescope spatial James Webb indique que ces sources étaient de jeunes étoiles beaucoup plus brillantes que ce que les scientifiques avaient estimé précédemment.
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Galaxie spirale
(Photo : Shutterstock)
Pourquoi l’univers ressemble-t-il à ce qu’il est ? C’est l’une des questions ouvertes en astrophysique et en physique en général. Au cours de son premier milliard d’années, l’univers a évolué d’une soupe désordonnée de particules de haute énergie à un ensemble plus organisé de galaxies et d’étoiles, mais de nombreux détails de ce processus nous échappent.
Dans une étude récente, une équipe internationale de chercheurs a analysé les observations du télescope spatial James Webb, en se concentrant sur les galaxies naines de l’univers primitif, et a découvert que ces galaxies émettaient de la lumière à des intensités bien supérieures à celles prévues. Ces recherches constituent une avancée majeure dans notre compréhension des premières sources lumineuses de l’univers.
Immédiatement après le Big Bang, l’univers a connu une expansion rapide, atteignant des températures et des niveaux d’énergie extrêmement élevés : la température moyenne des particules dans l’univers était d’environ 10^30 degrés Celsius.
À une chaleur aussi immense, les particules subatomiques ne pouvaient pas se lier les unes aux autres, et c’était donc dépourvu de matière telle que nous la reconnaissons aujourd’hui. Environ une seconde plus tard, l’univers s’était refroidi à environ un milliard de degrés et les particules subatomiques – les éléments constitutifs de la matière selon le modèle standard de la physique des particules – étaient créées, liées et formaient des protons et des neutrons.
Au moment où l’univers avait environ vingt minutes, il s’était déjà refroidi à des températures de plusieurs centaines de milliers de degrés Celsius. Les protons et les neutrons ont alors commencé à se lier aux ions hydrogène, hélium et lithium.
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Big Bang
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En raison de la température élevée de l’univers, les particules conservaient une énergie très élevée et les électrons ne pouvaient donc pas se lier aux protons pour former des atomes stables. Par conséquent, une grande partie de l’univers existait dans un état de plasma, un milieu de particules chargées électriquement tourbillonnant les unes autour des autres. Ce plasma obstruait le rayonnement électromagnétique, empêchant la propagation libre de la lumière dans tout l’univers.
Au cours des 370 000 années suivantes, l’univers a continué à se refroidir jusqu’à atteindre une température d’environ 4 000 degrés. À ce stade, les électrons ont finalement pu se lier au plasma, conduisant à la formation d’atomes neutres. Le rayonnement de fond cosmique, qui donne un aperçu des débuts de l’univers, a été libéré au cours de cette étape. Ce rayonnement a réussi à parcourir de grandes distances jusqu’à nous car il n’était pas gêné par la présence de plasma.
À cette époque, alors que l’univers avait environ 400 000 ans, il était principalement composé d’atomes neutres d’hydrogène et d’hélium dispersés assez uniformément dans l’espace. Il n’y avait aucune étoile, galaxie ou tout autre corps céleste complexe qui nous soit familier dans le ciel nocturne d’aujourd’hui. En particulier, il n’y avait aucune source de lumière et l’univers était essentiellement plongé dans l’obscurité.
Ce n’est que 20 millions d’années plus tard, alors que l’univers continuait à s’étendre et à se refroidir considérablement, que les premières sources de lumière de l’univers se sont formées. Les astrophysiciens qui étudient l’histoire de l’univers restent incertains quant à la nature et à l’origine de ces sources lumineuses, quand elles ont été créées et comment.
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Trou noir
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Les théories dominantes concernant les premières sources de lumière de l’univers suggèrent qu’il pourrait s’agir de trous noirs massifs, de galaxies massives ou de jeunes étoiles. Une théorie globale expliquant la formation des étoiles et des galaxies dans l’univers primitif n’a pas encore été formulée et les physiciens tentent encore de comprendre quand et comment les premières sources de lumière sont apparues dans l’univers.
Grâce au télescope spatial James Webb, lancé fin 2021, les chercheurs se sont lancés dans l’observation de galaxies très lointaines. Puisque la lumière se déplace à une vitesse finie, la lumière des galaxies lointaines met beaucoup de temps à nous parvenir. Les chercheurs ont concentré leurs observations sur la lumière émise par les galaxies il y a environ 13 milliards d’années, atteignant désormais le télescope, leur permettant d’avoir un aperçu des processus qui se sont produits au début de l’univers.
Ces galaxies lointaines nous apparaissent telles qu’elles étaient il y a des milliards d’années, lorsqu’elles étaient de jeunes galaxies émettant moins de lumière que les autres corps cosmiques. Il est donc difficile d’observer des galaxies aussi lointaines à l’aide de méthodes conventionnelles.
Pour surmonter ce problème, les chercheurs ont utilisé une technique sophistiquée : basée sur la théorie de la relativité générale d’Einstein, qui suggérait que des masses lourdes peuvent courber l’espace et plier le trajet de la lumière passant à proximité d’elles.
Les chercheurs se sont concentrés sur les galaxies situées derrière l’amas massif de galaxies Abell 2744, qui, en raison de sa grande masse, agit comme une lentille gravitationnelle, grossissant et focalisant la lumière venant de derrière lui. Cela a permis aux chercheurs d’augmenter la quantité de lumière atteignant le télescope, facilitant ainsi des observations plus précises.
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Les chercheurs ont analysé la lumière provenant de galaxies naines, des galaxies contenant seulement environ un milliard d’étoiles. À titre de comparaison, la Voie lactée dans laquelle nous vivons contient des centaines de milliards d’étoiles. Les chercheurs ont soigneusement analysé les observations et ont découvert que ces galaxies naines émettent un rayonnement quatre fois plus puissant que prévu.
De plus, ces galaxies naines étaient plus répandues dans l’univers primitif que les galaxies plus grandes. Par conséquent, les chercheurs supposent que la majorité des premières sources de lumière de l’univers étaient des galaxies de ce type.
Cette étude est un autre exemple d’une percée scientifique réalisée grâce au télescope spatial James Webb. Bien que les résultats soient remarquables, les chercheurs soulignent la nécessité d’études plus approfondies, notamment l’observation d’un échantillon plus large de galaxies, pour renforcer la validité de leurs conclusions.
2024-04-20 22:47:17
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