Low Ly Visibility in Galaxy Overdensities: Reionization Topology and Neutral-Fraction Ceilings from DIVER over
Grâce à des observations profondes de JWST/NIRSpec issues du relevé DIVER, cette étude révèle que la visibilité de la raie Lyman-alpha dans les galaxies à haut décalage vers le rouge est supprimée dans les régions de surdensité, contrairement aux modèles simples de réionisation de l'intérieur vers l'extérieur, tout en établissant des plafonds de fraction neutre empiriques qui indiquent que la réionisation cosmique était déjà engagée de manière irrégulière dès le décalage vers le rouge 8.
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Dans l'univers primitif, un vaste brouillard de gaz d'hydrogène neutre recouvrait le cosmos, rendant celui-ci opaque à la lumière des premières étoiles et galaxies. Cette ère, connue sous le nom d'époque de la réionisation, a pris fin lorsque le rayonnement intense des jeunes galaxies a arraché les électrons des atomes d'hydrogène, dissipant le brouillard et rendant l'univers transparent. Les astronomes utilisent depuis longtemps un type spécifique de lumière, émise par l'hydrogène lors de ses transitions entre états d'énergie, pour cartographier ce processus de dissipation. Comme cette lumière entre facilement en résonance avec l'hydrogène neutre, elle agit comme une sonde sensible : si le gaz environnant est épais et neutre, la lumière est diffusée et absorbée ; si le gaz est ionisé et clair, la lumière s'échappe pour être vue par les télescopes. Pendant des décennies, l'attente prédominante était que les galaxies se regroupent dans des amas denses pour créer de plus grandes bulles de gaz ionisé, facilitant ainsi l'évasion et la visibilité de cette lumière.
Une nouvelle étude utilisant le télescope spatial James Webb remet en question cette image simpliste. En observant des centaines de galaxies anciennes dans une seule zone du ciel, les chercheurs ont découvert que la lumière d'hydrogène la plus brillante et la plus visible provient en réalité de galaxies relativement isolées, et non de celles regroupées dans des amas denses. Cette découverte suggère que la dissipation de l'univers primitif était bien plus complexe et irrégulière qu'on ne le pensait auparavant, et que les conditions locales autour des galaxies individuelles jouaient un rôle plus important que la taille du groupe de galaxies environnant.
L'équipe de recherche, dirigée par des astronomes de l'Université de l'Arizona et de collaborateurs du monde entier, a utilisé l'instrument puissant NIRSpec du télescope spatial James Webb vers le champ GOODS-North. Leur objectif était de mesurer quelle quantité de cette lumière d'hydrogène spécifique, connue sous le nom de Lyman-alpha, pouvait s'échapper de 250 galaxies situées entre les décalages vers le rouge (redshifts) 4,8 et 11. Cette plage couvre une fenêtre critique de l'histoire cosmique, allant de l'époque où l'univers avait environ 1,2 milliard d'années à 400 millions d'années. Pour comprendre l'environnement de chaque galaxie, l'équipe a combiné ses données spectroscopiques avec un relevé distinct à large champ qui cartographiait l'emplacement de milliers d'autres galaxies dans la même région. Cela a permis de déterminer si chaque galaxie cible se trouvait dans un quartier encombré ou dans un vide solitaire.
Les résultats ont révélé une tendance surprenante. Les chercheurs ont identifié 84 galaxies qui émettaient avec succès cette lumière d'hydrogène, dont 44 étaient particulièrement fortes émettrices. Contrairement à l'attente selon laquelle les amas denses seraient les meilleurs endroits pour observer cette lumière, les données ont montré que les galaxies présentant une émission d'hydrogène forte et visible avaient tendance à être situées plus loin de leurs plus proches voisines. Dans la partie la plus dense du champ observé, un amas massif de galaxies à un redshift d'environ 5,2, moins de 15 % des galaxies présentaient une forte émission d'hydrogène. C'est l'opposé de ce qu'un modèle simple de réionisation prédirait, où des groupes denses de galaxies devraient avoir creusé de larges bulles de gaz ionisé transparentes permettant à la lumière de voyager librement.
L'équipe a exploré plusieurs raisons pour lesquelles les environnements denses pourraient en réalité masquer cette lumière. Une possibilité est que l'espace entre les galaxies d'un amas soit rempli de amas de gaz denses qui absorbent la lumière avant qu'elle ne puisse s'échapper. Un autre facteur pourrait être le mouvement du gaz autour des galaxies elles-mêmes ; si le gaz s'écoule vers l'intérieur ou se déplace de manière à piéger la lumière, il pourrait empêcher le signal d'atteindre la Terre, même si l'univers plus large devient clair. L'étude a également pris en compte le rôle de la poussière et de la structure interne des galaxies, mais a conclu que la densité environnementale était le facteur le plus constant influençant la visibilité. Les chercheurs ont noté que, bien que certaines galaxies brillantes individuelles aient été trouvées dans des amas lors d'autres études, celles-ci sont probablement des exceptions où un chemin spécifique à travers le gaz s'est avéré dégagé, plutôt que la règle pour l'ensemble de la population.
En analysant les limites supérieures de la luminosité possible de la lumière à différents moments, l'équipe a établi un plafond pour la quantité de gaz neutre restant dans l'univers. Ils ont calculé qu'à un redshift d'environ 8, l'univers ne pouvait pas être plus de 76 % neutre. Cette conclusion est significative car elle infirme l'idée que l'univers était presque entièrement un épais brouillard neutre à cette époque. Au contraire, elle soutient un modèle où la réionisation était déjà bien engagée, avec une coexistence de régions claires et brumeuses. L'étude conclut que la visibilité de la lumière de l'hydrogène des galaxies primitives contient des informations sur la structure à grande échelle de l'univers et sur l'environnement immédiat, complexe et désordonné, entourant directement la galaxie. Cette double influence signifie que pour comprendre comment l'univers a dissipé son brouillard, les astronomes doivent regarder non seulement le tableau d'ensemble des amas de galaxies, mais aussi les conditions locales spécifiques entourant chaque région de formation stellaire.
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