De quand datent les premières galaxies ? Comment se sont-elles formées ? Comment ont-elles « réionisé » l'Univers, empli d'hydrogène neutre au sortir du Big Bang ? Répondre à ces questions nécessite d'observer des galaxies toujours plus lointaines dans l'espace, et donc plus éloignées dans le temps.
Le télescope spatial Hubble vient de franchir un nouvelle étape en ce sens en découvrant une population de galaxies primordiales parmi les plus lointaines jamais observées. Ces données ont été recueillies en août 2009 grâce à la caméra infrarouge WFC3, récemment installée. Cinq équipes d'astronomes ont analysé ces données et présentent leurs résultats à la réunion de la Société américaine d'astronomie, à Washington.
L'image la plus profonde jamais obtenue dans le proche infrarouge - l'image HUDF09 - a été combinée avec une image en lumière visible du champ ultraprofond de Hubble, prise en 2004. L'analyse a permis d'identifier 29 candidats galaxies, dont 12 ont un décalage vers le rouge de 6.3 et quatre se situent au-delà d'un décalage vers le rouge de 7 ; le décalage vers le rouge mesure l'étirement de la longueur d'onde, ou « rougissement » de la lumière d'une source due à l'expansion de l'espace, et donc donne indirectement la distance de cette source. Cela correspond à une époque située, respectivement, 890 millions années et 780 millions d'années après le Big Bang, alors que l'Univers était encore dans sa toute petite enfance.
À proprement parler, la lumière émise par ces objets profonds est trop faible pour que l'on puisse mesurer précisément leur décalage vers le rouge par spectroscopie. Ce dernier est donc estimé à partir de leur couleur apparente. Pour préciser l'âge, mais aussi la masse de ces galaxies primordiales, les astronomes ont combiné les données de Hubble avec celles du télescope spatial infrarouge Spitze}.
Ils ont ainsi constaté que ces galaxies sont intrinséquement très bleues, c'est-à-dire dépourvues d'éléments lourds et de poussière, qui rougissent le spectre lumineux. Leur masse ne dépasse pas un pour cent de celle de la Voie lactée, et leur diamètre est 20 fois plus petit. Ces petites galaxies primordiales renforcent ainsi le modèle hiérarchique de formation des galaxies, selon lequel des fusions successives conduisent à la formation de galaxies de plus en plus volumineuses, pour aboutir aux galaxies géantes actuelles.
Ces galaxies situées 700 millions d'années après le Big Bang doivent avoir commencé à se former quelques centaines de millions d'années plus tôt, ce qui repousse d'autant l'époque de formation des premières étoiles dans l'Univers. Une population importante de galaxies se trouve même peut-être juste en dessous de la limite de détection autorisée par Hubble.
Le problème de la réionisation reste pourtant entier : ces premières galaxies ne semblent pas dégager assez de rayonnement pour « réioniser » tout l'hydrogène neutre qui emplissait l'Univers après la formation des atomes, 300 000 après le Big Bang (c'est-à-dire le faire passer de l'état d'atomes neutres à l'état d'ions chargés, en arrachant des électrons).
Les astronomes pensent que la réionisation a commencé avec les premières étoiles, vers 400 millions d'années, et s'est achevée vers 900 millions d'années après le Big Bang, mais ils ne savent toujours pas exactement quelles sources lumineuses en sont responsables. Peut-être les galaxies primordiales dont la luminosité est inférieure à la limite de détection de Hubble sont-elles assez nombreuses pour expliquer la réionisation, ou peut-être les galaxies découvertes étaient-elles plus efficaces qu'on ne le pense pour réioniser le contenu de l'Univers ?
