Qu'est-ce qu'une galaxie « nue » de milieu interstellaire (ISM) ?

Des astronomes utilisant le télescope spatial James Webb ont découvert une galaxie extraordinaire datant de seulement 450 millions d'années après le Big Bang, qui semble structurellement « nue ». Connue sous le nom de U37126, cette rare galaxie à sursaut de formation d'étoiles laisse échapper près de 100 % de son rayonnement ionisant directement dans le vide cosmique. Cette découverte offre un aperçu rare des mécanismes qui ont autrefois dissipé le brouillard primitif de l'univers jeune, mettant ainsi fin aux âges sombres cosmiques.

Qu'est-ce qu'une galaxie « nue » de son ISM ?

Une galaxie nue de son ISM est un système stellaire qui a été dépouillé de son milieu interstellaire (ISM), le réservoir de gaz et de poussière qui entoure généralement les étoiles et piège le rayonnement ionisant. Dans le cas de U37126, les chercheurs ont découvert que l'intense activité interne de la galaxie a probablement expulsé son gaz, permettant à la quasi-totalité de sa lumière de s'échapper dans l'espace intergalactique. Cet état représente une phase extrême et éphémère de l'évolution galactique où la galaxie est essentiellement « à nu ».

L'équipe de recherche, dirigée par Abdurro'uf et ses collègues, dont M. Castellano et P. G. Pérez-González, a identifié U37126 comme un cas d'étude unique dans le cadre du relevé PRISMS. En analysant des données spectroscopiques profondes, l'équipe a observé que la galaxie est dépourvue des signatures spectrales habituelles du gaz nébulaire. Typiquement, les jeunes étoiles sont enveloppées dans des nuages d'hydrogène qui transforment la lumière ultraviolette en raies d'émission spécifiques ; cependant, U37126 présente une pente du continuum UV exceptionnellement bleue (bêta ~ -2,9), ce qui suggère qu'il ne reste plus de gaz pour interférer avec la lumière de ses jeunes étoiles massives.

Les propriétés physiques de U37126 sont aussi compactes qu'extrêmes. Avec un rayon de seulement 61 parsecs, elle est remarquablement petite mais très productive, affichant une densité de surface du taux de formation d'étoiles d'environ 400 masses solaires par an et par kiloparsec carré. Cette densité élevée suggère qu'un événement massif de « sursaut de formation d'étoiles » s'est produit, générant suffisamment d'énergie de rétroaction pour expulser physiquement le gaz interstellaire restant du cœur de la galaxie. Cet état « nu » est ce qui fait de U37126 un chaînon manquant critique dans notre compréhension de la manière dont les premières galaxies interagissaient avec leur environnement.

Comment le télescope spatial James Webb remonte-t-il 13 milliards d'années dans le temps ?

Le télescope spatial James Webb remonte 13 milliards d'années en capturant la lumière infrarouge qui a été étirée, ou « décalée vers le rouge » (redshift), à mesure que l'univers prend de l'expansion. Pour la galaxie U37126, qui se situe à un redshift de z=10,255, sa lumière ultraviolette et visible a été décalée vers le spectre de l'infrarouge proche et moyen. Le miroir primaire massif de Webb et ses instruments refroidis par cryogénie lui permettent de détecter ces photons anciens et ténus avec une sensibilité sans précédent.

Pour confirmer la nature de U37126, les chercheurs ont utilisé 11 heures de spectroscopie profonde provenant de l'instrument MIRI (Mid-Infrared Instrument) et du spectrographe NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph). Comme U37126 subit l'effet d'une lentille gravitationnelle provoquée par un amas d'avant-plan, sa lumière est amplifiée par un facteur d'environ 2,2. Cette loupe cosmique naturelle, combinée à la sensibilité du télescope spatial James Webb, a permis à l'équipe d'observer l'émission optique de la galaxie au repos, qui est généralement invisible pour les autres observatoires à des distances aussi extrêmes.

La méthodologie consistait à rechercher des caractéristiques de « rupture de Balmer » et des raies de recombinaison nébulaire telles que H-alpha et [OIII]. Dans une galaxie typique, ces raies sont des indicateurs brillants de la formation d'étoiles se produisant au sein de nuages de gaz. Chez U37126, cependant, ces raies étaient remarquablement absentes. Les limites supérieures à 3 sigmas pour les largeurs équivalentes de H-bêta et H-alpha étaient exceptionnellement basses, confirmant que la population stellaire est essentiellement « nue » et dépourvue des nuages de gaz environnants qui captureraient et réémettraient normalement cette énergie.

Qu'est-ce que la fraction d'échappement du continuum de Lyman ?

La fraction d'échappement du continuum de Lyman (fesc) mesure le pourcentage de photons ionisants de haute énergie qui s'échappent d'une galaxie plutôt que d'être absorbés par le gaz interne. Dans U37126, la fraction d'échappement est estimée à près de 100 %, plus précisément 94 % (+/- 6 %). Ce pourcentage élevé signifie que la quasi-totalité du rayonnement ionisant produit par ses étoiles est injectée directement dans le milieu intergalactique environnant, alimentant le processus de réionisation cosmique.

Comprendre l'échappement du continuum de Lyman (LyC) est vital car cela explique comment l'univers primitif est passé d'un état neutre et opaque à l'état transparent et ionisé que nous observons aujourd'hui. Durant l'Époque de la réionisation, la lumière de haute énergie provenant des premières étoiles a arraché les électrons des atomes d'hydrogène à travers tout le cosmos. Jusqu'à présent, les astronomes peinaient à trouver des galaxies présentant des valeurs de fesc suffisamment élevées pour expliquer cette transformation massive. U37126 fait office de « preuve irréfutable », démontrant qu'une classe spécifique de galaxies peut être incroyablement efficace pour ioniser son environnement.

La fraction d'échappement élevée de U37126 est attribuée à son efficacité de production de photons ionisants, mesurée à une valeur logarithmique de 25,75 Hz erg^-1. Conjugué à l'absence de milieu interstellaire pour bloquer ces photons, U37126 agit comme un phare cosmique. La recherche suggère que si même une petite fraction de galaxies (environ 3 % à 6 %) dans l'univers primitif partageait ces propriétés de « galaxie nue », elles auraient pu fournir 50 % à 100 % du bilan ionisant total requis pour achever la réionisation de l'univers entier.

Caractéristiques stellaires et implications galactiques

La population stellaire de U37126 est dominée par de très jeunes étoiles massives, nettement plus chaudes et plus lumineuses que celles que l'on trouve dans l'univers moderne. En ajustant la distribution d'énergie spectrale (SED), l'équipe a estimé une masse stellaire corrigée de la lentille d'environ 63 millions de masses solaires (10^7,8 Msun). Ces étoiles sont concentrées dans un volume si restreint que la densité de surface de masse stellaire atteint 3 000 masses solaires par parsec carré, une concentration rarement observée lors des époques cosmiques ultérieures.

Ces découvertes suggèrent que U37126 subit une transition évolutive rapide. Le taux de formation d'étoiles spécifique (sSFR) est calculé à 160 Gyr^-1, ce qui indique que la galaxie double sa masse sur une échelle de temps incroyablement courte. Ce mode « instable » de formation d'étoiles est probablement ce qui déclenche la rétroaction extrême nécessaire pour nettoyer l'ISM. À mesure que ces étoiles massives meurent dans des explosions de supernovas, elles créent des vents puissants qui expulsent le gaz hors de la galaxie, créant l'apparence « nue » observée par le télescope spatial James Webb.

Quelle est la prochaine étape pour la recherche sur l'univers primitif ?

La découverte de U37126 modifie le paysage de l'astronomie extragalactique en prouvant que les sursauts de formation d'étoiles « nus » étaient des acteurs actifs de l'univers primitif. Les futurs relevés s'attacheront à déterminer si U37126 est une anomalie isolée ou un représentant d'une population plus large de galaxies « fuyantes ». Si d'autres systèmes de ce type sont découverts, cela confirmerait que la réionisation a été pilotée par un petit nombre de sources ionisantes extrêmement efficaces plutôt que par un grand nombre de galaxies faibles et « normales ».

Les prochaines observations du télescope spatial James Webb cibleront des candidats brillants en UV similaires à des redshifts supérieurs à z=10. Les astronomes espèrent cartographier la distribution de ces galaxies « nues » pour voir si elles résident dans des environnements cosmiques spécifiques, tels que des régions surdenses où les interactions entre galaxies sont plus fréquentes. Cette recherche non seulement éclaire les cycles de vie des premières étoiles, mais fournit également les preuves définitives nécessaires pour résoudre le mystère de longue date sur la manière dont l'univers est devenu transparent.

• Mesures clés : Redshift z=10,255 ; fraction d'échappement LyC >86 % (3 sigmas) ; rayon de la galaxie ~61 pc.
• Succès instrumental : Une intégration profonde de 11 heures à l'aide de MIRI et NIRSpec a confirmé l'absence des signatures de gaz attendues.
• Impact sur la réionisation : Des galaxies comme U37126 pourraient représenter la totalité du bilan ionisant de l'univers primitif, même si elles ne constituent que 5 % de la population totale.