La ré-ionisation est une phase du début de l'Univers survenue alors qu'il avait moins d'un milliard d'années. Elle décrit le moment où les premières galaxies ont libéré des photons ultraviolets ionisants, dont l'énergie a suffi à ioniser le gaz alentour et à ouvrir des bulles de transparence dans un Univers encore empli d'hydrogène neutre. Peu à peu, ces bulles se sont rejointes, achevant ainsi l'époque de la réionisation.
Toutefois, grâce à l'analyse de l'explosion d'une source X transitoire qui date de quand l'Univers n'avait que 10 % de son âge actuel, une équipe de chercheurs, incluant le Département d'Astrophysique de l'Irfu (CEA, CNRS), a publié la première détection spectroscopique directe à une telle distance, de photon UV qui se sont échappé d'une galaxie autour de régions d'étoiles massives qui ont participé à la réionisation.
Analyser les phénomènes transitoires aux confins de l'Univers
Les transitoires X rapides (ou FXT pour Fast X-ray transient en anglais) sont des émissions brèves de rayons X émises lors d'explosions cosmiques de très grande énergie. Début 2024, la mission spatiale Einstein-Probe, qui avait été lancée avec notamment l'objectif de détecter ces FXT, a transmis la localisation de l'une d'entre elles à la communauté scientifique. Les télescopes installés au sol ont alors commencé une campagne de suivi : ATLAS – qui fait un relevé optique du ciel entier – a découvert la contrepartie optique associée au transitoire X, et le Very Large Telescope (VLT) a ensuite caractérisé spectroscopiquement le transitoire et la galaxie hôte.
Les données recueillies dans ces observatoires terrestres ont ainsi permis de montrer que l'évènement cosmique détecté avait bien produit des rayons UV ionisants capable de s'échapper de la galaxie et donc de transformer des atomes d'hydrogène en ion dans la zone intergalactique, ce qui signifie qu'il y avait peu de matière autour de l'explosion initiale. Une nouvelle donnée qui permet de comprendre comment les premières étoiles ont probablement joué un rôle important dans la ré-ionisation de l'Univers.
Un réseau d'observation de plus en plus étoffé pour comprendre les débuts de l'Univers
Il s'agit donc ici de la première détection spectroscopique directe à une telle distance de photons UV capables d'ioniser l'hydrogène. Une découverte qui prouve que de jeunes galaxies ont effectivement pu participer à la phase de ré-ionisation de l'Univers, il y a plus de 12 milliards d'années.
Dans les années à venir, l'étude de l'Univers jeune sera soutenue par de plus en plus d'observations grâce aux missions Einstein-Probe et SVOM qui travaillent déjà de manière conjointe. Elles seront potentiellement rejointes par la mission THESEUS qui est actuellement dans la phase finale de l'étude de faisabilité de l'ESA qui précède la sélection définitive du projet. Le CEA est impliqué dans chacune de ces missions.