Les sursauts gamma révèlent les galaxies faibles qui ont réionisé l’Univers
Image à la une : Impression d’artiste d’un sursaut gamma long et de sa galaxie hôte ; crédit : NASA/Swift/Cruz deWilde
L’une des questions les plus persistantes en cosmologie est de savoir ce qui a causé la réionisation de l’Univers, cette époque où l’hydrogène gazeux neutre a été dépouillé de ses électrons par un rayonnement ultraviolet intense, permettant à la lumière de voyager librement dans l’espace pour la première fois. Les galaxies formant des étoiles sont les candidates principales, mais les astronomes peinent à déterminer si ce sont les galaxies les plus brillantes et les plus facilement observables qui ont accompli ce travail, ou si une vaste population de galaxies faibles et à peine détectables en est responsable.
Une nouvelle étude publiée dans l’Astrophysical Journal Letters apporte la preuve la plus solide à ce jour de l’hypothèse des galaxies faibles. Utilisant vingt ans de données du satellite Swift de la NASA, une équipe d’astronomes a montré que les sursauts gamma longs (LGRB) peuvent servir de traceurs non biaisés de la formation stellaire à travers le temps cosmique, révélant des galaxies trop sombres même pour le télescope spatial James Webb.
Les sursauts gamma comme sondes cosmiques
Les sursauts gamma longs sont les événements électromagnétiques les plus lumineux de l’Univers, produits lorsque des étoiles massives s’effondrent directement en trous noirs. En raison de leur brillance, ils sont détectables à travers les distances cosmiques, indépendamment de la taille ou de la luminosité de leurs galaxies hôtes. Cela en fait un outil statistique idéal pour mesurer l’activité de formation stellaire dans les galaxies brillantes comme dans les galaxies faibles.
L’équipe, dirigée par Jing-Meng Hao de l’Université de Padoue et comprenant des chercheurs de l’Académie chinoise des sciences, de l’INAF et de la Scuola Normale Superiore de Pise, a analysé les LGRB détectés par Swift dans la plage de décalage spectral (redshift) de 4 à 10, correspondant à la période où l’Univers avait entre 500 millions et 1,5 milliard d’années.
Le résultat clé : la densité de taux de formation stellaire cosmique déduite des LGRB peut expliquer naturellement l’état observé de la réionisation de l’hydrogène sans nécessiter d’hypothèses extrêmes sur l’efficacité avec laquelle les galaxies produisent des photons ionisants ou sur la facilité avec laquelle ces photons s’échappent.
Les galaxies faibles manquantes
Les relevés standards en champ profond du JWST et du télescope spatial Hubble ne peuvent détecter que les galaxies au-dessus d’un certain seuil de luminosité. La méthode LGRB contourne entièrement cette limitation, car les sursauts gamma brillent à travers leurs hôtes.
À partir des taux de formation stellaire déduits des LGRB, l’équipe a calculé les magnitudes limites des galaxies faibles responsables de la réionisation. À un décalage spectral d’environ 6 (environ 1 milliard d’années après le Big Bang), les contributeurs les plus faibles avaient des magnitudes comprises entre -14 et -15, environ 100 fois plus faibles que la Voie lactée. À un décalage spectral de 10 (500 millions d’années après le Big Bang), ces magnitudes sont descendues entre -10 et -11, plus faibles que toute galaxie jamais observée directement.
Ceci est une preuve indépendante de l’existence d’une grande population de galaxies faibles à des décalages spectraux supérieurs à 6, qui ont collectivement fourni les photons ionisants nécessaires à la réionisation de l’Univers. Ce résultat complète les relevés en champ profond du JWST, qui peut voir les galaxies primitives les plus brillantes, en comblant la population qui se trouve en dessous du seuil de détection.
L’article est accepté pour publication dans l’Astrophysical Journal Letters et est disponible sur arXiv sous la référence 2607.07610.
Traduit par Lydie