Trop tôt, trop brillantes

dès ~280 Ma

Ouverture

Dans une boule de gaz de deux cent quarante années-lumière de rayon, des étoiles naissent en nombre, jeunes et lourdes, et leur lumière ultraviolette sort de la boule et part dans un hydrogène que rien d'autre n'éclaire. Avant elles, dans la même boule, d'autres étoiles ont brûlé, ont éclaté, et ce qu'elles avaient fabriqué s'est mêlé au gaz : de l'oxygène surtout, et de l'azote en plus grande part que cet oxygène n'en laisserait attendre. Les étoiles qui naissent à présent sont faites de ce gaz-là. Ce n'est plus celui des premières minutes.

Plus loin, une autre boule, plus de trois fois plus large — huit cent cinquante années-lumière de rayon —, forme ses étoiles dans un gaz où les éléments plus lourds que l'hélium pèsent de l'ordre du millième de sa masse, trois millièmes au plus ; de l'oxygène, surtout. Cet oxygène a le même passé. Des étoiles sont nées, sont mortes et se sont dispersées dans une galaxie qui n'avait pas encore cette taille, et ce qu'elles ont laissé entre maintenant dans les suivantes.

L'ultraviolet qui sort de ces boules frappe l'hydrogène neutre alentour et lui arrache ses électrons, atome après atome. Autour de chaque galaxie grandit ainsi une bulle de gaz ionisé, où plus aucun atome ne retient cette lumière, et qu'elle traverse jusqu'à son bord. De ces lumières il y en a beaucoup, dispersées à des distances les unes des autres que leur lumière ne franchit pas encore. Chaque bulle s'arrête où sa lumière s'épuise, et entre les bulles l'hydrogène reste neutre.

« Un miracle cosmique »

Ces galaxies ont des noms. En 2024, l'équipe du relevé JADES — un grand programme d'observation profonde du télescope spatial James Webb — publie dans Nature deux galaxies confirmées, l'une à z = 14,32, l'autre à z = 13,90. La plus lointaine s'appelle JADES-GS-z14-0 ; elle est « étonnamment lumineuse », et elle n'est pas un point : son image s'étale, on peut lui mesurer un rayon, 260 parsecs, environ 850 années-lumière.

Un an plus tard, l'équipe de R. P. Naidu et P. A. Oesch confirme MoM-z14 à z = 14,44, vue telle qu'elle était 280 millions d'années après le début. Celle-ci est au contraire « extrêmement compacte » : le rayon qui contient la moitié de sa lumière vaut 74 parsecs, 240 années-lumière, trois fois et demie moins que l'autre. L'article porte un titre qu'on ne lit pas d'ordinaire en tête d'une publication d'astrophysique : « Un miracle cosmique ».

Dans les deux annonces, le mot qui compte est « confirmé ». Une galaxie aussi faible se date de deux façons. La première mesure son éclat à travers une série de filtres colorés et devine, d'après la forme de ses couleurs, un z approximatif ; elle trie des milliers de candidats. La seconde décompose sa lumière longueur d'onde par longueur d'onde, y repère une raie ou une coupure dont on connaît la place au repos, et lit de combien ce trait a glissé ; elle seule établit une distance. Les candidats à très grand z se comptaient par dizaines dès les premières images de Webb. Les galaxies de z ≈ 14 sont les premières dont la distance ne dépend plus de leurs couleurs.

En septembre 2026, MoM-z14 est encore, à notre connaissance, la galaxie la plus lointaine confirmée par spectroscopie. Le record a changé en 2024, puis en 2025 ; la fiche qui sert de base à ce chapitre demande de ne pas le figer, et rien ne garantit qu'il tienne jusqu'à la parution de ce livre. Ce que Webb a changé n'est pas une date.

La même semaine que les premières étoiles

Aucun de ces âges n'a été mesuré. Ce sont des z passés par la règle du chapitre des âges sombres, t ≈ 17,2 milliards d'années × (1 + z)^(−3/2) : elle donne environ 270 millions d'années pour z = 15, 285 pour z = 14,44 — à 2 % des 280 que publie l'équipe de Naidu —, 287 et 299 pour les deux galaxies JADES. Les records successifs ne sont séparés que de quelques millions d'années. Le préfacteur de la règle ne tient qu'à la densité de matière, que Planck lit presque directement sur le fond diffus ; ce qui la rend fragile ici n'est pas elle, c'est le modèle qu'elle suppose — la question même de ce chapitre.

Sur l'année cosmique — 13,8 milliards d'années ramenés à douze mois, la première lumière émise un quart d'heure après minuit le 1er janvier —, MoM-z14 brille vers le 8 janvier, dans la même semaine que les premières étoiles, que la théorie fait naître vers le 3. L'Univers a alors deux centièmes de son âge.

Le même calendrier dit de combien la frontière a bougé. En 2015, les premières galaxies étaient placées vers 300 à 400 millions d'années : entre le 8 et le 11 janvier. MoM-z14 avance la borne basse de cette fourchette de quelques dizaines de millions d'années — moins d'un jour.

Et dès 2018, avant Webb, l'équipe de Takuya Hashimoto avait lu dans une galaxie vue à z = 9,1 une population d'étoiles formée « environ 250 millions d'années après le Big Bang, ce qui correspond à un redshift d'environ 15 » — la mesure que le chapitre précédent a racontée. On savait, avant les records, que des étoiles naissaient en nombre à cette époque. Sur la seule date, les records de 2024 et 2025 prolongent une pente plus qu'ils ne la renversent ; la surprise tient dans un comptage.

Cent fois trop

Une galaxie seule, si lointaine et si brillante soit-elle, ne dit rien des lois qui ont fait les galaxies. Elle peut être une exception : née dans une région exceptionnellement dense, ou saisie à un moment exceptionnellement favorable. Le titre de l'article de Naidu joue sur ce hasard. Son résultat principal va dans l'autre sens. Les auteurs ne se contentent pas d'annoncer MoM-z14 : ils estiment combien de sources aussi brillantes existent par unité de volume entre z ≈ 14 et z ≈ 15, posent ce nombre en face de celui que prévoyaient les modèles de consensus d'avant Webb, et trouvent « plus de 100 fois » la prévision — 182 fois, selon leur estimation centrale.

La marge est large : +329 et −105, soit un rapport compris entre environ 77 et environ 511. À ces distances, chaque galaxie confirmée pèse lourd dans la statistique ; une de plus ou de moins déplace le résultat, et la fiche ne dit pas sur combien d'objets repose le comptage. Mais même la borne basse, près de 80, laisse presque deux ordres de grandeur entre ce qu'on attendait et ce qu'on voit. Une erreur d'un facteur deux ou trois dans le comptage, qui serait considérable, ne ferait pas disparaître l'excès.

« Brillant » a ici un sens précis. Ce que Webb reçoit est la lumière ultraviolette de ces galaxies, que l'expansion a étirée d'un facteur quinze environ avant qu'elle n'arrive ; et l'ultraviolet est surtout la lumière des étoiles jeunes et lourdes. Une galaxie brillante, au sens de ce comptage, est une galaxie qui forme beaucoup d'étoiles au moment où on la voit, ou qui vient d'en former beaucoup. C'est cette population-là qui est cent fois plus nombreuse que la prévision.

L'équipe de JADES arrive au même constat par ses propres objets. Les galaxies lumineuses, écrivent Stefano Carniani et ses coauteurs, « étaient déjà en place 300 millions d'années après le Big Bang et sont plus communes que ce qu'on attendait avant JWST ». Deux programmes indépendants, des galaxies différentes, un même écart.

Pour voir ce que cet écart met en jeu, il faut défaire la prévision qu'il contredit. Elle met bout à bout deux calculs. Le premier compte les halos de matière noire — combien de chaque masse, à chaque époque — et découle du modèle cosmologique : de la quantité de matière noire, et des petites inégalités que le fond diffus a photographiées. Le second donne à chaque halo une galaxie, avec une masse d'étoiles, une luminosité, une poussière ; il ne découle que de l'astrophysique du gaz qui se refroidit, s'effondre, forme des étoiles et réagit à leur présence. Un excès de cent peut sortir de l'un ou de l'autre. S'il y a cent fois plus de halos qu'on ne le croit, c'est la cosmologie qui a faux ; si les halos sont ceux qu'on attend et qu'ils brillent davantage, c'est la formation des galaxies.

Un passé avant 300 millions d'années

Ces galaxies ne sont pas seulement nombreuses et brillantes : leur chimie dit qu'elles ont un passé. En 2025, l'équipe de Sander Schouws détecte avec le réseau de radiotélescopes ALMA une raie de l'oxygène ionisé dans JADES-GS-z14-0. La galaxie est « étonnamment enrichie en métaux » — de 5 à 20 % de la métallicité du Soleil, « à peine 300 millions d'années après le Big Bang ». L'oxygène ne sort pas des premières minutes, dont la chaîne s'arrête au lithium ; il est fait dans les étoiles massives et libéré quand elles explosent. Avant celles qu'on voit briller, des étoiles sont donc nées, ont vécu, sont mortes, et leur oxygène s'est mêlé au gaz.

Ce que cela change au comptage tient en deux points. JADES-GS-z14-0 n'est pas une galaxie qui s'allume ; c'est une galaxie qui a recyclé son gaz au moins une fois — fabriquer, rejeter, renaître, la boucle du chapitre précédent. Ses étoiles, nées d'un gaz enrichi, ne sont pas de population III, et son excès de lumière ne vient pas d'une population primitive brillant dans un gaz vierge. Et puisqu'il y a des générations derrière elle, la formation d'étoiles qui l'a bâtie a commencé avant la date où on la voit. L'aube a commencé avant ce qu'on voit ; ce qu'on voit est un deuxième ou un troisième acte. Les auteurs y lisent des galaxies qui « évoluent rapidement ».

MoM-z14 apporte un indice d'une autre nature. Son spectre montre un excès d'azote qui, selon l'équipe de Naidu, rappelle les amas globulaires — ces amas d'étoiles très denses et très vieux qui gravitent autour de la Voie lactée et de ses voisines. Or l'azote n'est pas un produit rapide : la moitié de celui de l'Univers vient aujourd'hui des vents d'étoiles légères ou moyennes en fin de vie, qui vivent bien plus longtemps que les massives d'où sort l'oxygène. Un tel excès, 280 millions d'années après le début, demande soit une source rapide, soit un mode de formation particulier ; la fiche ne dit ni l'un ni l'autre. Le fait reste : la plus lointaine galaxie confirmée porte une signature qu'on connaît dans des objets voisins, et que les modèles ordinaires d'enrichissement ne produisent pas à cette vitesse.

Ces deux mesures bornent l'allumage par l'amont : il y avait des étoiles mortes avant 300 millions d'années — la contrainte la plus solide qu'on ait aujourd'hui sur la fin de la nuit. Elles ouvrent par l'aval la partie suivante du livre, celle de la fabrication des éléments dans les étoiles. L'oxygène de JADES-GS-z14-0 est le plus ancien dont parlent les sources de ce livre, et il a été fabriqué comme celui que nous respirons.

Le plafond

Quand les premières images de Webb montrent, en 2022, des candidats très lointains et apparemment très massifs, la première inquiétude ne porte pas sur les galaxies. Elle porte sur le modèle cosmologique lui-même, et Michael Boylan-Kolchin la met en titre en 2023 : « Mettre ΛCDM à l'épreuve avec les candidats galaxies à grand décalage vers le rouge ».

Son argument est un plafond. « La masse d'étoiles d'une galaxie est limitée par le réservoir de matière ordinaire disponible dans son halo de matière noire. » Le gaz qui fait les étoiles est tombé dans le halo avec la matière noire, et Planck fixe la part : 4,9 % de matière ordinaire pour 26,4 % de matière noire, à peu près une masse de gaz pour cinq de matière noire, 16 % au plus de la masse d'un halo. Encore faudrait-il que tout ce gaz devienne étoile, ce qu'aucune galaxie connue ne fait. Et comme le modèle dit combien de halos de chaque masse existent à chaque époque, la combinaison donne une limite stricte : dans un volume donné, à une date donnée, pas plus de masse en étoiles que n'en contiendraient les halos s'ils avaient tout converti.

Les premiers candidats de Webb se tenaient « à la limite même » de ce plafond. Boylan-Kolchin en tire la suite sans choisir : « un problème important non résolu », à l'un de trois niveaux — les propriétés déduites des observations, distance et masse ; la façon dont les galaxies se forment tôt dans le modèle standard ; le modèle lui-même. Les trois n'ont pas le même coût. Le premier n'engage que des mesures : un z photométrique surestimé, une masse mal déduite de la lumière. Le deuxième engage l'astrophysique : un gaz converti plus vite, ou plus complètement, qu'on ne le pensait. Le troisième engage tout le reste du livre — le fond diffus, les abondances des premières minutes, les oscillations dans la répartition des galaxies — et jusqu'aux dates de ces galaxies, calculées dans ce même modèle.

Le premier niveau a absorbé une bonne part du problème. Depuis 2023, la spectroscopie a écarté beaucoup des candidats photométriques trop massifs pour le plafond : leur lumière décomposée, plusieurs se sont trouvés moins lointains, ou moins massifs, que leurs couleurs ne le laissaient croire. La menace la plus directe contre le modèle venait d'objets qui n'étaient pas ce qu'on croyait.

Il n'a pas tout absorbé. Les galaxies de z ≈ 14 sont confirmées ; leur distance ne se discute plus. Et l'excès que mesure l'équipe de Naidu ne porte pas sur une masse d'étoiles mais sur une luminosité, quand le plafond porte sur une masse. Pour passer de l'une à l'autre, il faut supposer combien de lumière donne chaque masse solaire d'étoiles, et cela dépend de leur âge, de leur répartition en masse, de la poussière qui en absorbe une part. Une galaxie peut briller beaucoup sans avoir beaucoup d'étoiles : si elles sont très jeunes, si elles sont plus lourdes en moyenne, si rien n'absorbe leur lumière. C'est dans cet écart, entre la lumière vue et la masse déduite, que se logent presque toutes les explications ; là, le plafond n'est pas touché.

Quatre explications, aucune gagnante

Dans une galaxie ordinaire, la formation des étoiles se freine elle-même. Dès qu'elles existent, les étoiles massives soufflent des vents, puis explosent en supernovas ; elles chauffent et dispersent le gaz dont d'autres étoiles seraient nées, et une galaxie ne convertit jamais d'un coup tout son gaz — les astronomes appellent cet effet en retour la rétroaction. Mais ce frein a un délai. Il faut à une étoile de 25 masses solaires environ dix millions d'années pour brûler son hydrogène avant ses étapes finales ; un nuage qui tombe sous son propre poids met d'autant moins de temps à le faire qu'il est dense. En 2023, Avishai Dekel et ses coauteurs posent les deux durées côte à côte. Quand le temps de chute passe sous un million d'années environ — vers 3 000 atomes par centimètre cube —, le gaz s'effondre et fait ses étoiles avant que les freins ne se déclenchent : des « sursauts sans rétroaction ».

Dans ce scénario, les galaxies de l'aube convertissent le gaz qu'elles accrètent en étoiles avec une grande efficacité, et le modèle prédit un excès de galaxies lumineuses à z ≳ 10, avant environ 470 millions d'années ; Dekel lit les observations de Webb comme « cohérentes » avec cette conversion. Il ne demande aucun halo de plus. Il demande que les halos de l'aube, plus denses, fassent davantage d'étoiles avec le même gaz — sous le plafond de Boylan-Kolchin, mais plus près de lui.

La deuxième explication ne change pas la quantité d'étoiles, mais sa répartition dans le temps. Dans les simulations de la série FIRE, qui suivent le gaz, les étoiles et leur rétroaction dans des galaxies une à une, la formation d'étoiles de l'aube va par à-coups : des sursauts brefs et intenses, entre des périodes calmes. Guochao Sun et ses coauteurs montrent en 2023 que ces histoires « en sursauts » induisent « des variations d'un ordre de grandeur » dans l'abondance des galaxies brillantes en ultraviolet à z ≳ 10. Le mécanisme tient à la manière dont on compte. Un relevé retient les galaxies au-dessus d'un seuil d'éclat, donc surtout celles qui étaient en plein sursaut au moment où leur lumière est partie ; et comme les petits halos sont bien plus nombreux que les gros, il suffit qu'une fraction d'entre eux franchisse le seuil pendant un sursaut pour que le nombre de galaxies brillantes monte sans qu'un seul halo change. Webb verrait des galaxies ordinaires saisies à leur pic. Les deux premières explications sont voisines, puisqu'un sursaut sans rétroaction est un sursaut, et elles ne disent pas la même chose : plus d'étoiles au total, ou les mêmes, par à-coups, dont on voit les pics.

La troisième porte sur la lumière perdue en chemin. La poussière interstellaire — des grains solides d'éléments lourds — absorbe l'ultraviolet, et une galaxie poussiéreuse paraît moins brillante qu'elle n'est. Andrea Ferrara, Andrea Pallottini et Pratika Dayal partent d'un constat : l'extrémité brillante de la répartition des galaxies selon leur éclat change peu entre z = 7 et z ≈ 14, de 760 à 290 millions d'années, alors qu'en remontant le temps les halos assez massifs pour de grosses galaxies se raréfient. Ils y voient une « conspiration » : la poussière atténue de moins en moins, et ce gain compense « presque exactement » la perte de halos. Les galaxies au-delà de z = 11, avant environ 410 millions d'années, contiendraient une quantité négligeable de poussière, peut-être expulsée. Elles ne produisent pas plus de lumière ; elles en perdent moins. Cela croise l'oxygène de JADES-GS-z14-0 : la poussière est faite des mêmes éléments lourds que cette galaxie contient — il faudrait qu'ils soient restés gaz, ou que la poussière ait été chassée —, et les sources de ce livre ne disent pas si la poussière de ces galaxies a été mesurée.

La quatrième change l'origine de la lumière. Si les étoiles de l'aube étaient plus lourdes en moyenne que celles d'aujourd'hui — un trait de la population III qui aurait persisté dans des générations nées d'un gaz pauvre en métaux —, une même masse d'étoiles brillerait davantage en ultraviolet, et les galaxies paraîtraient plus massives qu'elles ne sont, sans halo ni gaz de plus ; les sources de ce livre ne donnent ni argument ni test. L'autre variante est un trou noir qui avale du gaz et le chauffe au point de le faire briller, un noyau actif dont la lumière se mêlerait à celle des étoiles. Pour les deux galaxies JADES à z ≈ 14, elle est écartée comme explication complète : leur lumière est dominée par les étoiles, et l'excès « ne peut pas être entièrement expliqué par l'accrétion sur des trous noirs ». L'étendue de JADES-GS-z14-0 sur 260 parsecs va dans le même sens, là où un noyau actif serait un point. La fiche ne dit pas si le même examen a été fait pour MoM-z14, bien plus compacte.

Aucune n'a gagné, et elles ne s'opposent pas terme à terme : une galaxie de l'aube peut être à la fois dense, en plein sursaut, sans poussière et riche en étoiles lourdes, chaque effet multipliant les autres. Ce qui les distingue, ce sont les signatures qu'elles laissent. Un gaz très dense, donc des galaxies compactes, pour les sursauts sans rétroaction — MoM-z14 et ses 74 parsecs sont de ce type, JADES-GS-z14-0 et ses 260 le sont moins. Des galaxies de même masse à des éclats très différents pour les dents de scie, ce qui demande des masses mesurées indépendamment de la lumière. De la poussière mesurée, pour la poussière. Une empreinte dans le spectre, pour la répartition en masse. La fiche attend, pour trancher, des relevés plus profonds avec Webb et la raie à 21 centimètres, d'abord en mesure globale puis en cartes. Aucune de ces mesures n'est faite à la date où ce livre s'écrit.

Ce qui cède

Les quatre explications ont un point commun : aucune ne touche au nombre de halos de matière noire, et aucune ne demande de changer le modèle cosmologique. Elles changent la façon dont le gaz d'un halo devient des étoiles, la façon dont ces étoiles brillent, ou la part de lumière que la poussière en retire. Le troisième niveau de Boylan-Kolchin, le modèle lui-même, n'est pas exclu par un argument de principe ; il n'est plus nécessaire, depuis que la spectroscopie a retiré les candidats les plus massifs et que des mécanismes astrophysiques suffisent à produire des excès du bon ordre de grandeur.

Ce qui cède est donc situé. Sur l'axe qui va du modèle cosmologique à l'astrophysique des galaxies, la cassure est du côté de l'astrophysique : ce n'est pas le Big Bang qui est en cause, c'est le scénario de formation des galaxies. L'âge de l'Univers — 13,787 ± 0,020 milliards d'années dans l'analyse finale de Planck — n'en dépend pas ; ni les abondances des premières minutes, ni le fond diffus ; et les dates de ces galaxies, calculées dans le modèle, restent valables. Les modèles qui prévoyaient cent fois moins de galaxies brillantes, eux, ont faux dans leur second calcul, la galaxie donnée à chaque halo, qui est à refaire pour l'aube. Écrire que Webb « contredit le Big Bang » est un contresens, que la fiche de ce chapitre signale expressément.

La portée n'en est pas moins considérable pour le premier milliard d'années. Une synthèse collective de 2024, signée par Adamo et ses cosignataires — une large part des équipes qui exploitent Webb —, écrit que la communauté est « en train de réécrire les manuels d'astronomie ». Le mouvement se lit dans les dates de ce chapitre. En 2015, les premières galaxies vers 300 à 400 millions d'années. En 2018, une galaxie vue vers 540 millions, avec des étoiles nées vers 250. En 2024, deux galaxies confirmées à z ≈ 14, lumineuses et communes, dont l'une contenait de l'oxygène. En 2025, MoM-z14 à 280 millions, son azote, et les galaxies brillantes de son époque cent fois plus nombreuses que la prévision. Chacune de ces étapes a déplacé une ligne des manuels ; aucune n'a déplacé le cadre.

Cette abondance de lumière a une conséquence immédiate. L'ultraviolet de ces galaxies arrache de nouveau à l'hydrogène intergalactique ses électrons — la réionisation, qui met fin à la nuit au sens de la seconde définition du chapitre des âges sombres. On en voit un signe précoce : une galaxie vue à z = 13,0, 330 millions d'années après le début, montre une raie de l'hydrogène, la Lyman-α, qui suppose, selon Witstok et ses coauteurs, qu'elle a creusé autour d'elle une bulle de gaz ionisé. Une bulle ; et entre les bulles, l'hydrogène neutre.

Si les galaxies de l'aube sont cent fois plus nombreuses et plus brillantes qu'on ne le pensait, elles devraient rallumer l'Univers vite. Or la réionisation mesurée est lente et tardive : son mi-parcours tombe vers 670 millions d'années selon le fond diffus, et des poches de gaz neutre tiennent jusqu'à 1,1 milliard d'années selon les quasars. En 2024, Julian Muñoz et ses coauteurs font le bilan, parlent d'une « crise du budget de photons », d'une erreur quelque part, dans la théorie ou dans les observations. Le même excès qui a bousculé la formation des galaxies bouscule maintenant le rallumage. Additionnées, les galaxies observées à ce jour ne suffisent pas seulement à rallumer l'Univers : elles le rallumeraient « trop tôt ».