formation d'étoiles dans 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.

Dans une galaxie lointaine, la lumière du gaz incandescent aurait dû révéler sa composition. Le télescope James Webb a décomposé cette lumière en spectre, et les astronomes ont vu : les raies de l'oxygène étaient trop faibles.

Les galaxies diffuses, éparpillées dans l'amas de Persée, ressemblent à des fantômes parmi leurs voisines brillantes. Elles sont si ténues que les objets lointains se voient à travers, et elles contiennent des centaines de fois moins d'étoiles que notre Voie lactée.

Au cours des premiers demi-milliards d'années après le Big Bang, les galaxies poussaient comme du chiendent. Le gaz s'y engouffrait à toute vitesse et s'effondrait en étoiles sans rencontrer de résistance. Cette période est appelée « formation d'étoiles sans entrave ».

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, l'Univers s'est gonflé à une vitesse prodigieuse — on appelle cette phase l'inflation. Même le vide n'était pas calme : des secousses quantiques agitaient les champs, comme le vent fait onduler les blés. L'un de ces champs, le champ de Higgs sombre, a pu s'écarter par hasard de sa position la plus stable.

L'Univers a résonné intensément dans ses premiers instants. À l'époque de l'inflation, lorsque l'expansion de l'espace dépassait la vitesse de la lumière, les énergies en jeu étaient colossales — des milliers de milliards de fois supérieures à celles du Grand collisionneur de hadrons.

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.

L'eau qui bout dans une casserole — voilà par où commencer. Les bulles de vapeur remontent, éclatent, et la surface se calme. C'est à peu près ainsi qu'au tout début de la vie de l'Univers, un champ particulier remplissant l'espace a pu se comporter : des bulles de nouvelle phase s'y gonflaient et entraient en collision — comme des îlots de vapeur dans un…

Deux villes ont subi une série d'incendies. Dans l'une, le vent disperse les cendres bien au-delà des faubourgs, et le ciel reste clair. Dans l'autre, les cendres retombent en un voile épais, teintant les couchers de soleil de pourpre.

Longtemps, la cosmologie a été dominée par une conviction héritée de Stephen Hawking : à l'ère du rayonnement, les trous noirs primordiaux ne grandissent pas.

Les étoiles massives sont des titans cosmiques dont la vie se déroule sous le signe d'une énergie indomptable. Lorsqu'une telle étoile entre dans la phase de supergéante B[e], son rayonnement est si puissant qu'il semblerait capable de pulvériser toute molécule en atomes.

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.

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, l'Univers a gonflé à une vitesse inimaginable. Cette inflation a laissé derrière elle des ondulations — d'infimes surdensités dans le rayonnement et le plasma brûlants.

Tout n'a pas commencé par le vide, mais par un océan bouillonnant de plasma. Dans ce bouillon primordial, des ondes sonores traversaient la matière en feu, se heurtaient et la comprimaient. Parfois, un amas devenait si dense que la lumière ne pouvait plus s'en échapper — et, directement du gaz incandescent, naissait un trou noir primordial.

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.

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.

Grâce au télescope James Webb, des astronomes ont plongé leur regard dans un ancien quasar, le cœur éblouissant d'une galaxie où un trou noir géant aspire la matière. Il s'avère que ce dernier ne fait pas que détruire, il crée aussi : ses puissants jets et ses ondes de choc agissent comme un véritable moulin cosmique.

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.

À travers les ondulations de l'eau, les galets au fond d'une piscine semblent décalés et déformés. De la même manière, la gravité de la matière noire invisible courbe la lumière des galaxies lointaines — un phénomène appelé lentille gravitationnelle faible.

L'Univers est en expansion, et son histoire comporte deux épisodes étonnants qui ne cadrent pas encore avec un modèle simple. Le premier est une courte période de jeunesse où tout s'éloignait plus vite que prévu, comme si quelqu'un avait appuyé sur l'accélérateur. Le second est l'accélération actuelle, comme si la même pédale était de nouveau enfoncée, mais plus doucement.

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.

La lumière ancienne, qui voyage depuis 14 milliards d'années, nous parvient de toutes les directions. Elle semble parfaitement uniforme, mais si on y regarde de près, on y distingue de minuscules fluctuations — comme des rides sur une pellicule lisse. Ces rides ne sont pas du bruit aléatoire, mais une chronique chiffrée de l'Univers.

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 ?

Dans le chaudron bouillant du Big Bang primordial, le vide, telle une [liquide surfondu], pouvait entrer en ébullition par bulles d'une nouvelle phase. Longtemps, les physiciens ont placé leurs espoirs dans ces bulles comme source de trous noirs primordiaux (TNP) — des candidats idéaux pour la matière noire.

Un minuscule trou noir traverse un nuage de gaz. Il ne l'absorbe pas, mais au contraire le chauffe, comme un fer à repasser laissé sur un tissu humide. Il émet un rayonnement et une tache chaude apparaît autour de lui, une région où la température est des centaines de fois supérieure à celle de l'espace environnant.

Une ampoule tamisée qui se met soudain à éclairer des motifs invisibles sur le mur : c'est un peu ainsi que les astronomes observent les galaxies naines lointaines, ces minuscules îles d'étoiles pauvres en éléments lourds. Dans certaines d'entre elles, on a remarqué une faible lueur violette d'hélium ionisé (la raie spectrale particulière He II 4686 Å).

Les axions sont des particules insaisissables, proposées par Roberto D. Peccei et Helen Quinn pour résoudre une énigme du modèle standard. C'est Frank Wilczek qui leur a donné leur nom.

Dans un jardin où les premières fleurs non seulement s'épanouissent, mais laissent aussitôt tomber leurs graines bien au-delà de la clôture, il y a quelque chose d'incroyablement généreux. Quelque chose de semblable se passait dans l'Univers jeune.

On ouvre un vieux coffre rempli de trésors de famille et, à l'intérieur, on découvre des bijoux que l'on croyait contemporains de l'arrière-grand-mère. Mais voilà que l'on s'aperçoit que l'or a été refondu, que les pierres ont été retaillées, et que cela s'est produit bien plus tard qu'on ne le pensait.

Un filet de pêche est tendu dans les profondeurs du cosmos. Lorsqu'une étoile massive meurt, elle laisse derrière elle un trou noir – un plomb dans ce filet. En général, ces plombs pèsent de quelques à des dizaines de masses solaires.

Après le Big Bang, l'Univers était rempli d'un gaz froid – principalement de l'hydrogène et de l'hélium neutres. Ce gaz enveloppait le cosmos comme un brouillard matinal, imperméable à la lumière. Les âges sombres commencèrent.

Au télescope, on voit une galaxie qui ressemble à une immense toupie lumineuse. Son disque s'étend sur trente mille années-lumière — un tiers du diamètre de notre Voie lactée. Mais le plus surprenant : cette toupie existait déjà deux milliards d'années après la naissance de l'univers.

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.

Aux débuts de la Terre, il y a environ quatre milliards d'années, la planète était un endroit hostile : un soleil terne, des impacts d'astéroïdes fréquents, un air sans oxygène. Dans ces conditions, les premiers pas de la vie semblent presque impossibles.

Dans une galaxie extrêmement lointaine s'est allumée une sorte d'enseigne au néon cosmique : presque tout son rayonnement provient d'un gaz incandescent, et les étoiles se perdent littéralement dans cette lueur.

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 ».