L'aube cosmique : premières étoiles, premières galaxies et réionisation

Écrite pour répondre à une question : Que sait-on des premières étoiles et des premières galaxies, pourquoi JWST en trouve-t-il autant et si tôt, comment et quand s'est faite la réionisation, et à quels âges correspondent z ≈ 30, 20 et 15 ?

1. Traduire z en âge : la règle de conversion

Les astronomes datent l'aube cosmique en décalage vers le rouge z ; l'âge correspondant se calcule dans le modèle standard, avec les paramètres de Planck (H0 ≈ 67,4 km/s/Mpc, Ωm ≈ 0,315) Planck 2018. À ces époques, l'énergie noire et le rayonnement ne pèsent presque rien, et l'âge suit une loi simple : t ≈ 17,2 milliards d'années × (1+z)^(−3/2). C'est notre calcul, pas une valeur lue ; il est vérifié sur les couples z–âge publiés :

Les contrôles tombent à moins de 10 % près ; les petits écarts viennent des paramètres cosmologiques choisis par chaque équipe (Hashimoto utilise un modèle légèrement différent). La conversion z ≈ 30 → ~100 Ma que la fiche frise-cosmique signalait comme non vérifiée est donc confirmée par le calcul. Au passage, la même publication Planck donne un âge de 13,787 ± 0,020 milliards d'années (combinaison avec lentilles et oscillations acoustiques), valeur lue dans son tableau 2 Planck 2018.

2. Les premières étoiles (population III) : une nécessité, pas encore une observation

Les premières étoiles naissent d'un gaz sans métaux, fait de l'hydrogène et de l'hélium de la nucléosynthèse primordiale (nucleosynthese-primordiale). Selon la revue de référence, elles se forment « à des décalages vers le rouge de 30 et moins » (dès ≈ 100 Ma) et dominent la formation stellaire jusqu'à z ≈ 15–20 (≈ 180–270 Ma), où les étoiles déjà enrichies de population II prennent le relais Klessen 2023.

Leurs propriétés sont théoriques. Le gaz primordial se fragmente facilement : ces étoiles naîtraient en petits amas, avec une fonction de masse « logarithmiquement plate » (autant d'étoiles massives que de légères, par intervalle logarithmique de masse). Dans les scénarios extrêmes, certaines atteindraient plusieurs centaines de milliers de masses solaires ; leurs restes pourraient être les germes des trous noirs supermassifs des premiers quasars Klessen 2023. Leur rayonnement et leurs supernovas règlent la formation d'étoiles qui suit et forgent les premiers éléments lourds Klessen 2023. Pour les plus lourds de ces éléments, ceux du processus r comme l'europium ou l'or, processus-r-et-or montre que les étoiles les plus pauvres en métaux en contiennent déjà, ce qui pose la question d'une source assez rapide pour ces premières époques. Elle présente aussi Reticulum II, une galaxie naine très ancienne enrichie par un seul événement rare.

Aucune n'a été vue isolément : elles sont trop lointaines et vivent trop peu. Le signal indirect le plus attendu vient du gaz d'hydrogène qu'elles excitent (raie à 21 cm, section 5).

Le meilleur candidat, trouvé tard : LAP1-B

Paradoxalement, le candidat le plus sérieux n'est pas à l'aube, mais à z = 6,6 (≈ 830 Ma). LAP1-B, amplifié par l'effet de lentille de l'amas MACS J0416, serait « le premier objet à s'accorder avec trois prédictions clés » pour la population III : halo de très faible métallicité, fonction de masse riche en étoiles massives, petits amas de quelques milliers de masses solaires Visbal 2025. L'explication du paradoxe : les systèmes de population III sont bien plus nombreux plus tôt, mais trop faibles pour être détectés ; une poche de gaz vierge tardive, fortement amplifiée, est ce qu'on attend de trouver avec les moyens actuels Visbal 2025. Il s'agit d'une interprétation (Visbal et al.) des données de Nakajima et al. 2025, non d'une détection établie ; nous n'avons pas lu l'article d'observation lui-même.

3. Les premières galaxies : trop tôt, trop brillantes, déjà chimiquement évoluées

Les records. En 2024, le relevé JADES confirme par spectroscopie deux galaxies à z = 14,32 et 13,90 ; la plus lointaine, JADES-GS-z14-0, est « étonnamment lumineuse » et étendue sur 260 parsecs de rayon Carniani 2024. En 2025, MoM-z14 est confirmée à z = 14,44, 280 millions d'années après le Big Bang, très compacte (74 pc) Naidu 2025. Elle reste en septembre 2026 la galaxie la plus lointaine confirmée par spectroscopie, à notre connaissance. Pour comparaison, avant Webb, les étoiles d'une galaxie à z = 9,1 étaient datées d'une formation vers 250 Ma (z ≈ 15), déjà une surprise Hashimoto 2018.

Trop nombreuses. Le résultat marquant n'est pas un record isolé mais un comptage : les sources brillantes à z ~ 14–15 sont « plus de 100 fois » (182 fois, avec une large marge : +329/−105) plus nombreuses que ne le prévoyaient les modèles d'avant JWST Naidu 2025. Carniani et al. en tirent que les galaxies lumineuses « étaient déjà en place 300 millions d'années après le Big Bang et sont plus communes qu'attendu » Carniani 2024.

Déjà enrichies. ALMA détecte l'oxygène ionisé dans JADES-GS-z14-0 : la galaxie contient déjà de 5 à 20 % de la métallicité solaire « à peine 300 Ma après le Big Bang » Schouws 2025. MoM-z14 montre un excès d'azote qui rappelle les amas globulaires locaux Naidu 2025. Il a donc fallu une ou plusieurs générations d'étoiles avant elles : l'aube a commencé bien avant ce que l'on voit.

4. Pourquoi tant, si tôt ? Les explications en concurrence

Le modèle cosmologique est-il en cause ? La masse d'étoiles d'une galaxie est plafonnée par la quantité de gaz ordinaire de son halo de matière noire ; les premiers candidats de JWST se situaient « à la limite même » de ce plafond, signalant un problème soit dans les mesures, soit dans la formation des galaxies, soit dans le modèle standard lui-même Boylankolchin 2023. Depuis, la spectroscopie a écarté beaucoup de candidats photométriques trop massifs, et la plupart des explications proposées restent dans le modèle standard : c'est la formation des galaxies qui est en question, pas le Big Bang.

Quatre familles d'explications, non exclusives :

• Des sursauts sans frein. Quand le gaz est assez dense (~3 000 atomes/cm³), il s'effondre en moins d'un million d'années, avant que les étoiles massives ne produisent vents et supernovas : ces « sursauts sans rétroaction » convertissent le gaz en étoiles avec une grande efficacité, et prédisent un excès de galaxies lumineuses à z ≳ 10 Dekel 2023.
• Une formation d'étoiles en dents de scie. Dans les simulations FIRE, des histoires de formation très irrégulières font varier d'un ordre de grandeur le nombre de galaxies brillantes à z ≳ 10 : on voit surtout celles qui sont en plein sursaut Sun 2023.
• Pas de poussière. La luminosité évolue peu de z = 7 à z = 14 parce que la baisse de l'atténuation par la poussière compense presque exactement la raréfaction des halos ; les galaxies à z > 11 contiendraient une quantité négligeable de poussière, peut-être expulsée Ferrara 2023.
• Des étoiles plus massives en moyenne, ou un apport des trous noirs accrétants. Pour les deux galaxies JADES, la lumière est dominée par les étoiles : l'excès « ne peut pas être entièrement expliqué » par des noyaux actifs Carniani 2024.

Aucune n'a gagné. L'état de l'art se résume ainsi : Webb est en train de « réécrire les manuels » de ce premier milliard d'années Adamo 2024.

Le signal radio de l'aube : un premier indice contesté

L'hydrogène neutre des âges sombres absorbe ou émet à 21 cm ; décalée vers le rouge, cette raie devient une onde radio de quelques dizaines de mégahertz. En 2018, l'expérience EDGES annonce un creux centré à 78 MHz, signe que des étoiles existaient et baignaient le gaz de photons Lyman-α dès 180 millions d'années après le Big Bang ; mais l'amplitude était plus de deux fois supérieure aux plus grandes prédictions Bowman 2018. En 2022, le radiomètre SARAS 3 conclut que ce profil « n'est pas d'origine astrophysique » et le rejette à 95,3 % de confiance Singh 2022. Pour le livre : l'aube vers 180 Ma est plausible, mais n'est pas mesurée.

5. La réionisation : quand

La lumière ultraviolette des premières sources arrache à nouveau les électrons de l'hydrogène intergalactique. Trois repères, de sources indépendantes :

• Le début : une raie Lyman-α intense à z = 13,0, 330 Ma après le Big Bang, suppose que des étoiles chaudes ou un noyau actif avaient déjà creusé une bulle ionisée autour de la galaxie Witstok 2025. C'est un cas isolé (récent), pas une mesure globale.
• Le milieu : le fond diffus (profondeur optique τ = 0,054 ± 0,007) place le mi-parcours de la réionisation à z = 7,68 ± 0,79, soit vers 670 Ma, dans un modèle qui suppose une transition simple Planck 2018. En 2015, Planck annonçait déjà une fin des âges sombres plus tardive qu'on ne le pensait esa2015reion.
• La fin : les spectres de 67 quasars montrent des fluctuations liées à la réionisation jusqu'à z = 5,3, soit 1,1 Ga Bosman 2022.

La réionisation est donc un processus d'environ 700 millions d'années, par bulles qui grossissent et se rejoignent, achevé tard. Les dates des bornes restent débattues ; l'ordre de grandeur, non.

6. La réionisation : par qui

Longtemps, le problème fut de trouver assez de photons ionisants. JWST a inversé la difficulté.

• Les galaxies naines. Mesurées derrière un amas-lentille, les galaxies faibles du premier milliard d'années produisent quatre fois plus de photons ionisants qu'on ne le supposait ; même si 5 % seulement s'en échappent, cela dépasse le besoin Atek 2024.
• La « crise du budget de photons ». Si l'on additionne les galaxies déjà observées, elles ne se contentent pas de réioniser l'Univers : elles le feraient trop tôt, en contradiction avec le fond diffus et les quasars Munoz 2024. Il y a une erreur quelque part, dans les modèles ou dans les mesures (fraction de photons qui s'échappe, notamment) Munoz 2024.
• Les noyaux actifs. Les nombreux petits trous noirs accrétants découverts par JWST relancent un scénario ancien où ils seraient les seuls moteurs de la réionisation, avec un mi-parcours plus tardif, z ≈ 6,5–6,7 Madau 2024. C'est une position minoritaire et discutée.

Le consensus prudent : les galaxies à formation d'étoiles, surtout les petites, sont les principales responsables ; la part des trous noirs et la fraction de photons qui s'échappe restent ouvertes.

Ce que le livre peut en tirer

Pour le récit. L'aube cosmique se raconte en trois temps datables : les premières étoiles vers 100–200 millions d'années (z ≈ 30–20), sans témoin direct ; les premières galaxies visibles vers 280–330 millions d'années (MoM-z14, JADES), déjà brillantes, compactes, contenant de l'oxygène ; puis la lente reconquête de la transparence, par bulles, de ~300 Ma à ~1,1 Ga. Deux images fortes : une galaxie qui contient déjà de l'oxygène 300 millions d'années après le début (donc des étoiles mortes avant elle) ; et le meilleur candidat « étoiles primordiales » trouvé non pas à l'aube, mais tard, dans une poche de gaz restée vierge, grâce à une loupe gravitationnelle.

Pour l'essai. (1) Toute date de cette époque est un z converti dans le modèle standard (tableau, section 1) : z 30 ≈ 100 Ma, z 20 ≈ 180 Ma, z 15 ≈ 270 Ma. (2) L'excès de galaxies précoces est un fait mesuré (> 100× les prévisions d'avant JWST) ; son explication est ouverte, et les pistes principales restent dans le modèle standard. (3) La réionisation : mi-parcours vers 670 Ma (Planck), fin vers 1,1 Ga (quasars), sources majoritairement des galaxies naines ; la « crise du budget de photons » montre que le bilan n'est pas bouclé.

Contresens à éviter. Ne pas écrire que JWST « contredit le Big Bang » ni qu'il a « vu les premières étoiles ». Ne pas présenter LAP1-B comme une découverte confirmée de population III. Ne pas donner la date EDGES (180 Ma) comme mesurée : le signal est contesté. Ne pas donner une date unique pour la réionisation ni attribuer celle-ci aux trous noirs. Ne pas figer le record de distance : il change tous les ans.

À vérifier avant publication. L'article d'observation de LAP1-B (Nakajima et al. 2025) n'a pas été lu ; le record MoM-z14 est à revérifier à la date de publication ; la conversion z → âge est notre calcul, vérifié sur cinq couples publiés, à faire recouper au besoin sur un calculateur cosmologique.

Voisines

• frise-cosmique — Cette fiche développe ses sections 6 et 7 (âges sombres, aube, premières galaxies, réionisation) : elle confirme la conversion z ≈ 30 → ~100 Ma, explique l'excès de galaxies vu par JWST, et permet de lever la réserve sur l'âge 13,787 ± 0,020 Ga, lu dans le tableau 2 de Planck 2018. La date « réionisation achevée vers 500 Ma » (wiki-chrono) y serait à retirer.
• nucleosynthese-primordiale — Le gaz sans métaux dont naissent les étoiles de population III est le produit de la nucléosynthèse primordiale ; les premiers éléments lourds viennent ensuite de ces étoiles.

Sources

• planck2018 — Planck Collaboration (2020). Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters. Astronomy & Astrophysics 641, A6. arXiv:1807.06209 DOI 10.1051/0004-6361/201833910 https://arxiv.org/abs/1807.06209 — « « optical depth τ = 0.054±0.007 » (résumé) ; tableau 2 : z_re = 7.68 ± 0.79 (TT,TE,EE+lowE), Age [Gyr] = 13.787 ± 0.020 (TT,TE,EE+lowE+lensing+BAO) ; « The reionization redshift mid-point z_re and optical depth τ here assumes a simple tanh model ». »
• klessen2023 — Klessen, R. S., Glover, S. C. O. (2023). The first stars: formation, properties, and impact. Annual Review of Astronomy and Astrophysics 61, 65–130. arXiv:2303.12500 DOI 10.48550/arXiv.2303.12500 https://arxiv.org/abs/2303.12500 — « « The first generation of stars, often called Population III (or Pop III), form from metal-free primordial gas at redshifts 30 and below. They dominate the cosmic star formation history until redshifts 15 to 20 […] » ; « a logarithmically flat mass function » ; supermassive Pop III stars « may be the seeds of the supermassive black holes observed in high-redshift quasars ». »
• naidu2025 — Naidu, R. P., Oesch, P. A., Brammer, G., et al. (2025). A Cosmic Miracle: A Remarkably Luminous Galaxy at z_spec = 14.44 Confirmed with JWST. Open Journal of Astrophysics. arXiv:2505.11263 DOI 10.48550/arXiv.2505.11263 https://arxiv.org/abs/2505.11263 — « « The source is extremely compact (circularized r_e = 74 pc) » ; « The number density of bright z_spec~14-15 sources […] is >100× larger (182 +329/−105 ×) than pre-JWST consensus models. » »
• bosman2022 — Bosman, S. E. I., Davies, F. B., Becker, G. D., et al. (2022). Hydrogen reionisation ends by z=5.3: Lyman-α optical depth measured by the XQR-30 sample. MNRAS 514, 55. arXiv:2108.03699 DOI 10.1093/mnras/stac1046 https://arxiv.org/abs/2108.03699 — « « reionisation-related fluctuations […] persist in the intergalactic medium until at least z=5.3 (t=1.1 Gyr after the Big Bang). » (repris de la fiche frise-cosmique) »
• esa2015reion — ESA (2015). Planck reveals first stars were born late. Communiqué, 5 février 2015. https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Planck/Planck_reveals_first_stars_were_born_late — « « these 'Dark Ages' ended some 550 million years after the Big Bang – more than 100 million years later than previously thought. » (repris de la fiche frise-cosmique) »
• carniani2024 — Carniani, S., Hainline, K., D'Eugenio, F., Eisenstein, D. J., et al. (2024). Spectroscopic confirmation of two luminous galaxies at a redshift of 14. Nature 633, 318–322. arXiv:2405.18485 DOI 10.1038/s41586-024-07860-9 https://arxiv.org/abs/2405.18485 — « « spectroscopic confirmation of two luminous galaxies at redshifts of z=14.32 and z=13.90 […] The most distant of the two galaxies is unexpectedly luminous and is spatially resolved with a radius of 260 parsecs […] the excess of luminous galaxies in the early Universe cannot be entirely explained by accretion onto black holes […] luminous galaxies were already in place 300 million years after the Big Bang and are more common than what was expected before JWST. » »
• schouws2025 — Schouws, S., Bouwens, R. J., Ormerod, K., et al. (2025). Detection of [OIII]88μm in JADES-GS-z14-0 at z=14.1793. The Astrophysical Journal. arXiv:2409.20549 DOI 10.48550/arXiv.2409.20549 https://arxiv.org/abs/2409.20549 — « « GS-z14 [is] surprisingly metal-enriched (Z∼0.05 - 0.2 Z☉) a mere 300 Myr after the Big Bang. […] reinforces the notion that galaxies in the early Universe undergo rapid evolution. » »
• boylankolchin2023 — Boylan-Kolchin, M. (2023). Stress testing ΛCDM with high-redshift galaxy candidates. Nature Astronomy 7, 731–735. arXiv:2208.01611 DOI 10.1038/s41550-023-01937-7 https://arxiv.org/abs/2208.01611 — « « The stellar mass of a galaxy is limited by the available baryonic reservoir of its host dark matter halo. » ; candidates « lie at the very edge of these limits, indicating an important unresolved issue with the properties of galaxies derived from the observations, how galaxies form at early times in ΛCDM, or within this standard cosmology itself. » »
• dekel2023 — Dekel, A., Sarkar, K. S., Birnboim, Y., Mandelker, N., Li, Z. (2023). Efficient formation of massive galaxies at cosmic dawn by feedback-free starbursts. MNRAS 523, 3201. arXiv:2303.04827 DOI 10.1093/mnras/stad1557 https://arxiv.org/abs/2303.04827 — « « Feedback-free starbursts (FFBs) occur when the free-fall time is shorter than ∼1 Myr, below the time for low-metallicity massive stars to develop winds and supernovae. This corresponds to a characteristic density of ∼3×10³ cm⁻³ » ; « JWST observations indicate a surprising excess of luminous galaxies at z∼10 and above, consistent with efficient conversion of the accreted gas into stars ». »
• sun2023 — Sun, G., Faucher-Giguère, C.-A., Hayward, C. C., Shen, X., Wetzel, A., Cochrane, R. K. (2023). Bursty star formation naturally explains the abundance of bright galaxies at cosmic dawn. Astrophysical Journal Letters. arXiv:2307.15305 DOI 10.48550/arXiv.2307.15305 https://arxiv.org/abs/2307.15305 — « « the bursty SFHs induce order-of-magnitude changes in the abundance of UV-bright galaxies at z ≳ 10. » »
• ferrara2023 — Ferrara, A., Pallottini, A., Dayal, P. (2023). On the stunning abundance of super-early, massive galaxies revealed by JWST. MNRAS. arXiv:2208.00720 DOI 10.1093/mnras/stad1095 https://arxiv.org/abs/2208.00720 — « « The weak evolution from z=7 to z≈14 of the LF bright-end arises from a conspiracy between a decreasing dust attenuation, making galaxies brighter, that almost exactly compensates for the increasing shortage of their host halos. […] galaxies at z > 11 should contain negligible amounts of dust. » »
• adamo2024 — Adamo, A., Atek, H., Bagley, M. B., Bañados, E., et al. (2024). The First Billion Years, According to JWST. arXiv:2405.21054 DOI 10.48550/arXiv.2405.21054 https://arxiv.org/abs/2405.21054 — « « JWST has revealed the Universe's first billion years. The scientific community […] is in the process of rewriting the astronomy textbooks. » »
• visbal2025 — Visbal, E., Hazlett, R., Bryan, G. L. (2025). LAP1-B is the first observed system consistent with theoretical predictions for Population III stars. Astrophysical Journal Letters (accepté). arXiv:2508.03842 DOI 10.48550/arXiv.2508.03842 https://arxiv.org/abs/2508.03842 — « « We argue that this is the first object to agree with three key theoretical predictions for Pop III stars […] we find that LAP1-B was found at the redshift theoretically expected, given current observable limits, despite the fact that most Pop III systems form much earlier. » »
• hashimoto2018 — Hashimoto, T., Laporte, N., Mawatari, K., Ellis, R. S., et al. (2018). The onset of star formation 250 million years after the Big Bang. Nature 557, 392–395. arXiv:1805.05966 https://arxiv.org/abs/1805.05966 — « « We detect an emission line of doubly ionized oxygen at a redshift of 9.1096±0.0006 […] a dominant stellar component that formed about 250 million years after the Big Bang, corresponding to a redshift of about 15. » (volume et pages Nature non lus ; page Nature inaccessible) »
• bowman2018 — Bowman, J. D., Rogers, A. E. E., Monsalve, R. A., Mozdzen, T. J., Mahesh, N. (2018). An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum. Nature 555, 67–70. arXiv:1810.05912 DOI 10.1038/nature25792 https://arxiv.org/abs/1810.05912 — « « The low-frequency edge of the observed profile indicates that stars existed and had produced a background of Lyman-alpha photons by 180 million years after the Big Bang. […] the best-fitting amplitude of the profile is more than a factor of two greater than the largest predictions » »
• singh2022 — Singh, S., Nambissan T., J., Subrahmanyan, R., et al. (2022). On the detection of a cosmic dawn signal in the radio background. Nature Astronomy. arXiv:2112.06778 https://arxiv.org/abs/2112.06778 — « « The profile found by Bowman et al. in data taken with the […] EDGES low-band instrument is not of astrophysical origin; their best-fitting profile is rejected with 95.3% confidence. » »
• witstok2025 — Witstok, J., Jakobsen, P., Maiolino, R., et al. (2025). Witnessing the onset of reionization through Lyman-α emission at redshift 13. Nature. arXiv:2408.16608 DOI 10.1038/s41586-025-08779-5 https://arxiv.org/abs/2408.16608 — « « a galaxy at redshift z = 13.0 […] only 330 Myr after the Big Bang […] massive, hot stars or an active galactic nucleus (AGN) have created an early reionised region to prevent complete extinction of Ly α » »
• atek2024 — Atek, H., Labbé, I., Furtak, L. J., et al. (2024). Most of the photons that reionized the Universe came from dwarf galaxies. Nature 626, 975–978. arXiv:2308.08540 DOI 10.1038/s41586-024-07043-6 https://arxiv.org/abs/2308.08540 — « « faint galaxies during the Universe's first billion years produce ionizing photons with log(ξion) = 25.80±0.14, a factor of 4 higher than commonly assumed values […] the rate of ionizing photons exceeds that needed for reionization, even for escape fractions of order five per cent » »
• munoz2024 — Muñoz, J. B., Mirocha, J., Chisholm, J., Furlanetto, S. R., Mason, C. (2024). Reionization after JWST: a photon budget crisis? MNRAS Letters. arXiv:2404.07250 DOI 10.1093/mnrasl/slae086 https://arxiv.org/abs/2404.07250 — « « the galaxies we have directly observed (M_UV < -15) not only can drive reionization, but would end it too early. […] We discuss possible avenues to resolve this photon budget crisis, including systematics in either theory or observations. » »
• madau2024 — Madau, P., Giallongo, E., Grazian, A., Haardt, F. (2024). Cosmic reionization in the JWST era: back to AGNs? The Astrophysical Journal. arXiv:2406.18697 DOI 10.48550/arXiv.2406.18697 https://arxiv.org/abs/2406.18697 — « « lead us to reassess a scenario where AGNs are the sole drivers of the cosmic hydrogen/helium reionization process » ; « hydrogen reionization is 99% completed by redshift z~5.3-5.5, and reaches its midpoint at z~6.5-6.7 ». »