galaxies de l'univers primordial

Une vieille ville se dote de nouveaux faubourgs. Au centre, des ruelles étroites où la vie s'est presque figée, et en périphérie, un chantier bouillonne. C'est l'image d'une galaxie spirale dont le noyau abrite des étoiles vieillies depuis longtemps, tandis que le disque externe continue de former des étoiles.

Le ciel nocturne semble noir, mais si l'on retire les étoiles et que l'on accumule la lumière longtemps, une lueur ténue apparaît – la lumière totale de toutes les galaxies nées depuis 13,8 milliards d'années. Les astronomes l'appellent la lumière extragalactique de fond.

Lorsque des étoiles naissent dans une galaxie, elles font briller l'hydrogène — comme une enseigne au néon, mais à l'échelle cosmique. Cette lumière pourrait en dire long sur le nombre d'étoiles en formation, mais sur le chemin jusqu'à nous, elle traverse la poussière cosmique.

L'Univers ressemble à une immense charpente invisible. Nous ne la voyons pas directement, mais nous savons qu'elle existe : c'est grâce à elle que les galaxies et les amas tiennent ensemble. Cette charpente, c'est la matière noire. La version la plus populaire dit qu'elle est « froide » et qu'elle est constituée de particules lourdes et lentes.

La galaxie NGC 4254 se trouve à un million et demi d'années-lumière du centre de l'amas de la Vierge. Elle traîne derrière elle un long filament d'hydrogène en refroidissement – signe qu'elle s'engouffre à pleine vitesse dans le gaz surchauffé.

Huit cents millions d'années après le Big Bang — et au cœur d'une jeune galaxie bat déjà un moteur monstrueux. Un trou noir d'une masse de dix milliards de soleils dévore la matière si avidement que son rayonnement devrait éclipser tout alentour. Mais dehors, silence.

Le cosmos ressemble à un tissu de soie dont les fils de la toile sombre émergent. Les véritables toiles, nous ne les voyons qu'en minuscules lambeaux — à travers les télescopes, dans les catalogues réels de galaxie.

Le spectrographe de JWST a capté une infime chute dans le spectre d'une galaxie lointaine — deux raies, telles des ombres laissées par du gaz froid. Ce sont les raies du sodium, cette même lumière jaune des lampadaires. Ici, aux confins de l'Univers visible, elles trahissent un souffle paresseux de la galaxie qui restitue sa matière dans l'espace.

Le disque galactique ressemble à une ondulation figée à la surface de l'eau : chaque perturbation laisse une trace que l'on peut lire des milliards d'années plus tard.

Il faut presque deux mois au couple stellaire J05+50 pour boucler une orbite autour de leur centre commun. Depuis la Terre, il apparaît comme un point faible dans la constellation d’Hercule, à 4625 parsecs de nous. La photométrie de l’étoile binaire ne montre qu’un lent balancement de luminosité, tel le pouls d’un cœur géant.

Au cœur des forêts amazoniennes, sous l'épais feuillage, reposent d'immenses figures de terre — carrés, rectangles, et de rares losanges. Pendant des décennies, elles ont taquiné les archéologues avec leur géométrie silencieuse, jusqu'à ce qu'un chercheur s'arme d'optique orbitale et y voie un instrument astronomique.

Quand nous plongeons notre regard dans le cosmos, nous voyons le passé. La loi d'Edwin Hubble transforme le décalage vers le rouge en machine à remonter le temps : la lumière de la galaxie UDS 12999 a mis 7,6 milliards d'années pour nous parvenir — plus de la moitié de la vie de l'Univers.

Au cœur d'une minuscule galaxie se trouve un amas dense d'étoiles et de matière noire. Cet amas, appelé soliton, n'est pas figé : il tremble et oscille, telle une gelée sur une assiette.

Les galaxies lenticulaires sont les « discrètes » du cosmos : elles ont un disque, mais pas de bras spiraux brillants. Leur origine est restée longtemps mystérieuse. Une équipe de scientifiques a lancé la simulation informatique Hydrangea et a suivi le destin de chaque galaxie, de sa jeunesse à nos jours.

La galaxie NGC 1277 ressemble à un vieux livre que personne n'a ouvert depuis des milliards d'années. Elle s'est formée rapidement, à l'aube de l'Univers, et n'a presque pas changé depuis — pas de collision avec des voisines, pas de nouvelles couches ajoutées.

Une immense ville allume chaque nuit de nouveaux réverbères. Mais un jour, un ouragan s'abat, arrache tout le carburant des entrepôts, et les réverbères s'éteignent un à un. C'est un peu ce que des astronomes ont observé dans une galaxie dont la lumière nous est parvenue après 12,5 milliards d'années.

L'Univers résonne. Pas au sens habituel — sa symphonie est inscrite dans les infimes variations de densité dont sont issues les galaxies et nous-mêmes.

Les galaxies elliptiques sont de paisibles métropoles stellaires à la retraite. Selon toutes les lois, leur lumière devrait être calme, rougeâtre, comme un coucher de soleil. Mais les spectres crient le contraire : dans l'ultraviolet lointain, ces vieilles dames flambent comme des guirlandes de Noël.

Les deux premiers milliards d'années après le Big Bang — une époque où l'Univers ressemblait à un chantier bouillonnant. La matière noire agglomérait le gaz en amas, qui s'embrasait en premières étoiles.

Les images de James Webb ont capté la lueur étonnamment vive des premières galaxies. Un grille-pain dore une tranche en une minute, tandis qu'un four cuit un pain en une heure — le résultat est le même. Dans l'espace, c'est pareil : les jeunes galaxies émettaient une lumière intense rapidement, comme un grille-pain, plutôt que de cuire des étoiles lentement, comme un four.

Une rue où l'on vient de construire des maisons. Certaines brillent de fenêtres propres, d'autres sont couvertes de poussière de chantier. C'est à peu près à cela que ressemblaient les galaxies lorsque l'Univers n'avait que quelques centaines de millions d'années.

Dans un parc urbain, les arbres poussent plus vite que dans une forêt profonde. Non parce que le sol y est meilleur, mais parce que les branches s'y entrecroisent plus souvent et que les graines s'y échangent. C'est à peu près ce que vivent les galaxies du protomamasque de la Toile — un immense amas de matière qui, dans des milliards d'années, deviendra un amas mature.

Deux paquebots naviguent de nuit, tous feux éteints. L'un a été assemblé en chantier naval à partir de tôles d'acier, l'autre semble avoir surgi tout seul de l'écume et des vagues. À l'oreille, ils sont presque indiscernables, mais un hydroacousticien expérimenté saurait déceler la différence dans le ronronnement des hélices et la forme de la coque.

Le télescope James Webb a détecté de nombreuses galaxies brillantes dans l'Univers jeune. Leur lumière ultraviolette n'était presque pas absorbée par la poussière cosmique – contrairement à ce que l'on pensait. Le secret ?

Les amas globulaires sont des « pelotes » denses de centaines de milliers d'étoiles qui orbitent autour du centre de la Voie lactée. Certains sont nés dans notre Galaxie, d'autres ont été capturés lorsque la Voie lactée a absorbé des galaxies naines satellites.

Dans l'Univers primordial, la densité des amas stellaires était si élevée que des étoiles colossales, de la taille du Système solaire, s'y formaient. Si une telle géante remplaçait le Soleil, sa frontière extérieure s'étendrait jusqu'à l'orbite de Jupiter.

Quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, l'Univers ressemblait à une cuisine géante où les premières galaxies se formaient à partir d'une « pâte » primordiale d'hydrogène et d'hélium.

Lancez deux cailloux identiques du sommet d'une montagne : si l'un atterrit un centimètre plus à gauche, au bout d'une minute ils se retrouveront dans des vallées différentes. La galaxie est comme cette montagne, mais avec des milliards de cailloux et une pente qui s'étire sur des millions d'années.

Dans les premiers centaines de millions d'années après le Big Bang, le cosmos ressemblait à un club de jeunes bruyant : les galaxies s'allumaient, entraient en collision, et formaient des étoiles par centaines.

La lumière d'un quasar lointain — le noyau brillant d'une galaxie — passe près d'une galaxie massive et se courbe, comme le faisceau d'une lampe de poche à travers un verre irrégulier. Si la lentille et la source sont presque parfaitement alignées, on observe non pas un seul quasar, mais plusieurs images de celui-ci.

Les autres galaxies ne sont que d'anciennes photographies, mais nous observons la Voie lactée en direct.

Le mystère de la croissance rapide des trous noirs dans l'Univers jeune pourrait être expliqué par les quasi-étoiles. Ce sont des cocons de gaz géants avec un trou caché à l'intérieur. La matière qui y tombe s'échauffe et émet tant de lumière qu'elle empêche le cocon de se contracter.

Les amas globulaires sont de denses archives stellaires où est consignée la jeunesse de la galaxie. Mais lire cette chronique était entravé par des chronomètres imprécis : les estimations d'âge variaient d'un milliard d'années.

La pâte monte plus vite si elle contient déjà de la levure. De la même manière, les galaxies ont peut-être pu se former plus rapidement si des trous noirs s'y trouvaient déjà.

En 2015, des astronomes observaient l'amas de galaxies de la Chevelure de Bérénice et ont remarqué quelque chose d'étrange : d'énormes « flocons » presque invisibles. Ces galaxies ont la taille de notre Voie lactée, mais brillent des centaines de fois plus faiblement. On les a appelées ultra-diffuses, c'est-à-dire « extrêmement étalées ».

L'Univers ressemble à une toile d'araignée géante : les galaxies ne sont pas dispersées au hasard, mais regroupées en nœuds et le long de filaments. À l'intérieur des filaments, il y a beaucoup de gaz, et c'est là que de nouvelles étoiles s'allument le plus souvent. Mais comment cela a-t-il évolué avec le temps ?

Les étoiles bleues géantes naissent généralement dans des pouponnières stellaires exiguës — les amas ouverts du fin disque de notre Galaxie. Mais parfois, on en découvre bien au-dessus du disque, comme éjectées de leur foyer. Comment sont-elles arrivées là ?

Les premières étoiles se sont allumées dans des nuages qui ne contenaient que de l'hydrogène et de l'hélium. Les éléments lourds — carbone, oxygène, fer — sont apparus plus tard, à l'intérieur des étoiles.

Une galaxie, c'est comme une ville où l'on a cessé de construire de nouveaux immeubles. Les étoiles n'y naissent plus, et à voir les vieux bâtiments, on peut deviner quand le chantier battait son plein. Des astronomes ont observé 14 de ces « villes fantômes » aux confins de l'Univers visible — leur lumière a voyagé 11 à 12 milliards d'années jusqu'à nous.

Un amas de galaxies ressemble à un carrefour animé où des voitures-galaxies foncent à travers un vent contraire de gaz chaud. Ce vent, appelé pression dynamique, arrache aux galaxies leurs réserves de gaz froid — le carburant de la formation d'étoiles. Les astronomes du relevé SAMI ont suivi ce processus sur des centaines de galaxies dans huit amas proches.