LA PERLE NOIRE : UNE EMPREINTE DE POUSSIÈRE 500 MILLIONS D'ANNÉES APRÈS LE BIG BANG

Le télescope spatial James Webb ne cesse de montrer que les galaxies se sont remplies de métaux et de poussière étonnamment vite, au cours du premier milliard d’années de l’histoire cosmique. La poussière est difficile à étudier si loin : sa propre lueur thermique est extrêmement dure à détecter. Mais elle laisse aussi des marques sur la lumière des étoiles qui la traverse, et l’une d’elles est particulièrement parlante.

Un creux dans l’ultraviolet

Dans la Voie lactée, la poussière atténue l’ultraviolet avec une large « bosse » centrée vers 2 175 ångströms : un creux dans le spectre, la structure la plus forte de la courbe d’extinction de notre Galaxie. On l’attribue largement à de petits grains ou molécules riches en carbone, même si leur identité exacte reste débattue — petits grains de graphite, hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAH) et carbone amorphe font partie des candidats. D’une ligne de visée à l’autre dans la Voie lactée, la largeur et la force de la bosse varient, mais sa position centrale est remarquablement stable.

Webb a poussé la recherche dans l’Univers jeune. Une détection marquante a eu lieu dans une galaxie à un décalage vers le rouge de 6,71, environ 800 millions d’années après le Big Bang, avec une bosse culminant vers 2 263 Å — plus rouge que dans la Voie lactée. Une autre, à 7,11, culmine à 2 257 Å. En moyenne, la bosse semble s’affaiblir vers les époques plus anciennes.

Une galaxie à un décalage de 9,33

Giulia Rodighiero, de l’université de Padoue et de l’INAF, et une cinquantaine de co-auteurs en Europe, dans les Amériques et en Asie ont passé en revue les spectres NIRSpec de Webb de deux programmes coordonnés, ZENITH et EMBER. Ils ont examiné les sources au-delà d’un décalage de 8, pour lesquelles la région de 2 175 Å est couverte, sans choisir celles qui montraient déjà une bosse. L’une s’est détachée. Ils l’appellent la Perle noire — l’article ne dit pas pourquoi.

Les raies d’émission de l’hydrogène et de l’oxygène la placent à un décalage vers le rouge de 9,3335 : on la voit telle qu’elle était environ 500 millions d’années après le Big Bang. C’est une galaxie plutôt petite, d’une masse stellaire d’environ 10^8,35 soleils, qui forme à peu près 2,4 soleils d’étoiles par an, et l’une des galaxies les plus lumineuses en ultraviolet confirmées par spectroscopie au-delà d’un décalage de 9.

Deux façons de voir le même creux

Son spectre montre une large dépression exactement là où devrait se trouver une bosse de poussière. L’équipe l’a mesurée de deux manières indépendantes.

D’abord directement : ajuster le continuum ultraviolet par une courbe lisse et mesurer l’atténuation en plus. Le creux est détecté à 17,6 sigma, et ajouter un profil en forme de bosse améliore énormément l’ajustement (un χ² de 474 tombe à 8,2). Le profil culmine à 2 132 ± 17 Å, avec une largeur de 413 ± 54 Å et une atténuation au pic de 0,21 magnitude. Des vérifications écartent comme cause une raie d’émission voisine du carbone et un mélange de raies non résolues.

Ensuite, avec un modèle complet de la galaxie — étoiles, gaz, poussière et photométrie — et une loi de poussière flexible où la position et la largeur de la bosse sont libres. Les deux histoires de formation d’étoiles testées retrouvent une bosse, vers 2 147 et 2 168 Å, compatibles avec la mesure directe quoique moins précises.

Un trou noir pourrait-il la simuler ? Un noyau actif peut produire une forêt de raies du fer qui imite un creux. Les raies d’émission indiquent un rayonnement dur et laissent de la place pour une contribution d’un noyau, mais pas pour un noyau assez fort pour dominer l’ultraviolet. Les auteurs privilégient la poussière, tout en notant qu’un noyau, « potentiellement même substantiel », ne peut pas être exclu avec certitude.

Décalée du mauvais côté

La largeur correspond à celle de la Voie lactée. La position, non : 43 Å plus bleue que la moyenne de notre Galaxie, à environ 2,5 sigma, et quelque 127 Å plus bleue que les deux bosses connues vers un décalage de 7, elles-mêmes décalées vers le rouge. Pour les auteurs, cette diversité plaide contre une bosse universelle dans l’Univers jeune : les grains de poussière qui la produisent différaient probablement d’une galaxie à l’autre.

Lesquels ? Les calculs pour les plus petits grains de graphite s’approchent du profil de la Perle noire, contrairement au cas antérieur à 6,71. Certaines molécules de PAH isolées peuvent aussi le reproduire — mais les PAH sont rares dans les galaxies pauvres en métaux aux décalages plus faibles, et le rayonnement intense déduit ici pourrait détruire les plus petites. Les deux restent plausibles.

De la poussière en 200 millions d’années

La bonne horloge n’est pas les 500 millions d’années écoulés depuis le Big Bang, mais le temps écoulé depuis que la galaxie a commencé à former des étoiles. Si cela a commencé vers un décalage de 14, environ 200 millions d’années étaient disponibles. Les supernovæ, la croissance des grains entre les étoiles et peut-être les étoiles AGB qui évoluent le plus vite ont pu y contribuer ; la part de chacun reste ouverte.

Il s’agit d’une seule galaxie, le décalage de sa bosse n’est significatif qu’à environ 2,5 sigma, et les courbes d’atténuation ne se traduisent pas de façon unique en types de grains. L’article a été soumis à la revue ApJ. Son message : la forme de la bosse, et pas seulement sa présence, permet désormais de suivre la fabrication de la première poussière.