Subaru et Webb unissent leurs forces pour mesurer comment la lumière s’est échappée de l’Univers primitif
Image à la une : [Impression d’artiste du rayonnement Lyman-alpha s’échappant des galaxies primitives pendant l’Époque de la Réionisation ; crédit : NAOJ/NASA/ESA]
Une équipe d’astronomes japonais dirigée par Shunta Shimizu de l’Université de Tokyo a réalisé la première mesure directe de la fraction d’échappement du Lyman-alpha (Lyα) pendant l’Époque de la Réionisation, en combinant les données du télescope Subaru sur le Mauna Kea et du télescope spatial James Webb. Le résultat, publié sous forme de prépublication soumise aux Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, révèle qu’environ 10 % des photons ionisants s’échappent des galaxies à un redshift de 6,2, lorsque l’Univers avait moins d’un milliard d’années.
Cette mesure est importante car elle répond à l’une des questions ouvertes les plus persistantes en cosmologie : qu’est-ce qui a alimenté la réionisation cosmique, la période où le brouillard d’hydrogène neutre s’est dissipé et l’Univers est devenu transparent à la lumière.
Un astucieux tour de passe-passe avec les filtres
L’équipe a exploité une rare coïncidence dans les longueurs d’onde des filtres. Le filtre F470N de la NIRCam du JWST, centré à 4,7 micromètres, capture l’émission Hα des galaxies à un redshift d’environ 6,2. Le filtre NB872 de l’Hyper Suprime-Cam (HSC) de Subaru, centré à 872 nanomètres, capture l’émission Lyα au même redshift exact. Ensemble, les deux filtres forment une paire unique à bande étroite qui permet aux astronomes de mesurer les deux raies de recombinaison de l’hydrogène provenant des mêmes galaxies à la même époque cosmique.
Les mesures précédentes de la fraction d’échappement Lyα à haut redshift reposaient sur des méthodes indirectes ou de petits échantillons. Cette étude a identifié 84 émetteurs Hα (HAE) dans le champ JWST CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science), dont 56 ont fourni une photométrie fiable dans la bande NB872 de Subaru. Dix-neuf ont montré une émission Lyα au-dessus du seuil de 2 sigma.
L’empilement des données avec pondération par complétude a produit une fraction d’échappement médiane de 0,106, avec une erreur asymétrique de plus 0,066 et moins 0,044. En d’autres termes, environ un photon Lyα sur dix produits à l’intérieur de ces galaxies parvient réellement à s’échapper dans le milieu intergalactique.
Qui a ionisé l’Univers ?
L’Époque de la Réionisation, s’étendant approximativement du redshift 10 à 6, est la période où les premières étoiles et galaxies ont émis suffisamment de rayonnement ultraviolet pour arracher les électrons de l’hydrogène neutre à travers le cosmos. Pendant des années, les modèles conventionnels supposaient que seules les galaxies les plus faibles et de plus faible masse produisaient suffisamment de photons ionisants par masse stellaire pour conduire cette transition. Les galaxies plus brillantes étaient considérées comme piégeant leurs photons Lyα dans des milieux interstellaires poussiéreux ou riches en gaz.
Les résultats de Shimizu et al. remettent en question cette image. La fraction d’échappement médiane d’environ 10 % est conforme à d’autres mesures récentes à des redshifts similaires, mais le résultat clé est que ces galaxies sont des émetteurs Hα relativement lumineux, et non des naines ultra-faibles.
« Si l’échappement Lyα est un indicateur de la fuite du continuum Lyman, écrivent les auteurs, cela pourrait suggérer que les HAE relativement lumineux, plutôt que les seules galaxies les plus faibles, peuvent fournir une contribution importante au budget de photons ionisants pendant l’EoR. »
Qu’est-ce qui contrôle l’échappement ?
L’étude met également en lumière pourquoi certaines galaxies laissent sortir les photons Lyα tandis que d’autres les piègent. L’équipe a constaté que la fraction d’échappement est corrélée positivement avec la largeur équivalente Lyα et négativement avec la pente du continuum UV (β) et la taille UV dans le référentiel au repos. Les galaxies compactes et bleues avec des pentes UV abruptes fuient plus de Lyα. De manière critique, il n’y avait pas de corrélation significative avec le paramètre global d’extinction par la poussière E(B-V) ou avec la taille optique dans le référentiel au repos.
Ces résultats suggèrent que la variation d’une galaxie à l’autre de l’échappement Lyα est due à des composants de formation stellaire compacts et à faible atténuation visibles dans l’UV, et non par la teneur globale en poussière de la galaxie. Une petite région de formation stellaire intense avec peu de poussière peut percer un canal clair pour les photons Lyα même à l’intérieur d’une galaxie plus grande et plus poussiéreuse.
Une nouvelle fenêtre sur la Réionisation
La technique à double bande étroite inaugurée dans ce travail ouvre un nouveau canal d’observation pour l’Époque de la Réionisation. Alors que le JWST poursuit ses programmes d’observation et que la HSC de Subaru continue de collecter des images profondes, l’échantillon de HAE avec des mesures à la fois Hα et Lyα s’agrandira, resserrant les contraintes sur la fraction d’échappement et sa dépendance aux propriétés des galaxies.
L’article (arXiv:2607.08264) est soumis à MNRAS et liste 18 auteurs d’institutions japonaises dont l’Université de Tokyo, l’Université de Kyoto, l’Université Waseda et le NAOJ.
Traduit par Lydie