Les astronomes pensaient que l’univers primitif était rempli d’hydrogène et ils viennent de le trouver

Les astronomes, en utilisant les données de l’Expérience d’Énergie Sombre du Télescope Hobby-Eberly (HETDEX), ont découvert des dizaines de milliers d’immenses halos de gaz d’hydrogène, appelés « nébuleuses Lyman-alpha », qui entouraient des galaxies il y a entre 10 et 12 milliards d’années. Connue sous le nom de Midi cosmique, cette période de l’univers primitif correspond à une phase où les galaxies croissaient à un rythme vertigineux. Pour soutenir cette croissance, elles auraient eu besoin d’accéder à de vastes réserves de gaz d’hydrogène, un élément fondamental pour la formation des étoiles. Pourtant, jusqu’à récemment, les astronomes n’avaient identifié qu’une poignée de ces structures essentielles.

De 3 000 à 33 000 !

Une nouvelle étude publiée dans The Astrophysical Journal a multiplié par dix le nombre connu de halos de gaz d’hydrogène : d’environ 3 000 à plus de 33 000. Cela confirme qu’il ne s’agit pas de phénomènes rares. L’étude élargit également l’éventail des tailles connues, offrant un échantillon plus représentatif que les astronomes peuvent étudier afin de mieux comprendre l’origine et l’évolution des premières galaxies.

« Nous analysons le même petit groupe d’objets depuis 20 ans », a déclaré Erin Mentuch Cooper, responsable des données de HETDEX et autrice principale de l’étude. « HETDEX nous permet d’en découvrir beaucoup plus et de mesurer leurs formes et leurs tailles. Cela nous a vraiment permis de constituer un catalogue statistique remarquable ».

Pas facile à détecter

Le gaz d’hydrogène est notoirement difficile à détecter, car il n’émet pas de lumière par lui-même. Cependant, lorsqu’il se trouve à proximité d’un objet très énergétique — comme une galaxie ou un groupe de galaxies dont les étoiles émettent un rayonnement ultraviolet —, cette énergie peut le faire briller. Sa détection nécessite beaucoup de temps ainsi que des instruments de haute précision, généralement très sollicités.

Si certaines études astronomiques antérieures avaient déjà repéré quelques-uns de ces halos, leurs instruments ne pouvaient détecter que les exemples les plus brillants et les plus extrêmes. De plus, les observations ciblant des galaxies primitives sont souvent tellement zoomées qu’elles excluent tous les halos sauf les plus petits. Par conséquent, tout ce qui se situe entre les halos de petite et de grande taille est resté longtemps indétectable.

Mieux comprendre l'énergie sombre

Les observations de HETDEX commencent à combler ce vide. Grâce au télescope Hobby-Eberly de l’Observatoire McDonald, les chercheurs cartographient la position de plus d’un million de galaxies afin de mieux comprendre l’énergie sombre. « Nous avons recueilli près d’un demi-pétaoctet de données non seulement sur ces galaxies, mais aussi sur les régions intermédiaires », a expliqué Karl Gebhardt, chercheur principal de HETDEX, directeur du département d’astronomie de l’Université du Texas à Austin et coauteur de l’étude. « Nos observations couvrent une portion du ciel équivalente à plus de 2000 pleines lunes. L’ampleur est immense et sans précédent ».

« Le télescope Hobby-Eberly est l’un des plus grands au monde », a ajouté Dustin Davis, chercheur postdoctoral à l’Université du Texas à Austin, scientifique de HETDEX et coauteur de l’étude. « De plus, l’instrument utilisé par HETDEX produit 100 000 spectres à chaque observation. Nous disposons donc d’énormes quantités de données, et de nombreuses découvertes intéressantes, amusantes et surprenantes nous attendent ».

Les halos nouvellement découverts ont un diamètre compris entre quelques dizaines et plusieurs centaines de milliers d’années-lumière. Certains sont aussi simples qu’un nuage en forme de ballon de football entourant une seule galaxie. D’autres sont des structures vastes et irrégulières contenant plusieurs galaxies. « Ce sont les plus intéressants », a indiqué Mentuch Cooper. « Ils ressemblent à des amibes géantes avec des tentacules qui s’étendent dans l’espace ».

Pour les identifier, l’équipe a sélectionné les 70 000 galaxies les plus brillantes parmi plus de 1,6 million de galaxies primitives déjà repérées par HETDEX. À l’aide des supercalculateurs du Centre de calcul avancé du Texas, ils ont analysé combien d’entre elles présentaient des signes d’un halo environnant : une région centrale compacte d’hydrogène et un nuage plus diffus qui s’étend au-delà.

Près de la moitié en présentent. Et cette proportion est probablement sous-estimée, précise Mentuch Cooper. « Nous pensons que les systèmes les plus faibles ne sont tout simplement pas assez lumineux pour révéler pleinement leur taille ».

L’équipe espère que sa découverte aidera d’autres chercheurs à étudier l’univers primitif : l’évolution de ses structures, la répartition de la matière, le mouvement des objets, et bien plus encore. Avec 33 000 halos à analyser, la question ne sera plus de savoir où les trouver, mais lesquels choisir.

« Il existe plusieurs modèles pour les galaxies de cette époque qui, globalement, fonctionnent et semblent cohérents, mais présentent des lacunes et des limites », a expliqué Davis. « Nous pouvons désormais nous concentrer sur des halos individuels et observer plus en détail la physique et les mécanismes à l’œuvre. Cela nous permettra de corriger ou d’écarter certains modèles, puis de recommencer ».

Référence de l'article :

Erin Mentuch Cooper et al, Lyα Nebulae in HETDEX: The Largest Statistical Census Bridging Lyα Halos and Blobs across Cosmic Noon, The Astrophysical Journal (2026). DOI: 10.3847/1538-4357/ae44f3