Quatre révélations du télescope Webb sur les galaxies lointaines

Les astronomes ont trouvé ces deux galaxies éloignées dans la même petite partie du ciel. Ils estiment que celle de droite date de 300 millions d’années après le Big Bang.Crédit : JWST GLASS Survey NASA/CSA/ESA/STScI ; Pascal Oesch/Université de Genève

La NASA a construit son télescope spatial James Webb à la pointe de la technologie pour scruter l’univers lointain et remonter vers l’aube des temps – et il le fait déjà de manière spectaculaire. Au cours des deux semaines qui ont suivi la mise à disposition des premières images et données scientifiques de Webb pour les astronomes, ils ont signalé un flot de découvertes préliminaires, y compris de multiples prétendants à ce qui pourrait être la galaxie la plus éloignée jamais vue.

Les images de Webb révèlent une multitude de galaxies scintillantes dans le cosmos lointain, apparaissant comme elles l’ont fait quelques centaines de millions d’années seulement après le Big Bang il y a 13,8 milliards d’années. Les images étonnamment nettes du télescope ont brisé les idées préconçues des astronomes sur l’Univers primitif.

“Nous avions en tête une idée de ce que les galaxies à ces [distances] ressemblerait et combien de détails nous serions capables de voir, mais je pense que la réalité est juste un peu époustouflante », déclare Jeyhan Kartaltepe, astronome au Rochester Institute of Technology à New York.

Voici certaines choses que les astronomes apprennent des premières observations de Webb.

Il y a énormément de galaxies là-bas.

Parce que Webb détecte la lumière infrarouge et parce que l’expansion du cosmos étend la lumière à des longueurs d’onde plus rouges, le télescope est bien adapté pour repérer les galaxies qui se sont formées au début de l’histoire de l’Univers. Dans ses premiers programmes d’observation, qui ont débuté en juin, Webb a découvert de nombreuses galaxies lointaines qui se trouvent hors de portée d’autres observatoires, comme le télescope spatial Hubble.

“Cela suggère ce que beaucoup d’entre nous ont soutenu, qu’il existe des galaxies au-delà de ce que nous avons vu avec Hubble”, déclare Richard Ellis, astronome à l’University College de Londres.

L’ère des premières galaxies a commencé à «l’aube cosmique», commençant peut-être environ 250 millions d’années après le Big Bang, lorsque les premières étoiles se sont formées et ont illuminé l’Univers. Les générations ultérieures d’étoiles se sont amassées en galaxies, qui sont les faibles taches rouges que Webb commence à découvrir.

De nombreuses images Webb sont parsemées de galaxies inédites dans l’Univers lointain. “Il n’y a pratiquement aucun espace vide qui n’ait rien”, dit Kartaltepe.

Une étude a passé au peigne fin les données de nombreux champs de galaxies éloignés que Webb a observés jusqu’à présent, pour analyser la vitesse à laquelle les étoiles se sont formées dans l’Univers primitif. Il a trouvé 44 galaxies jusque-là inconnues remontant à moins de 300 millions d’années du Big Bang. Combinés à 11 galaxies précédemment connues, les résultats montrent qu’il y avait une importante population de galaxies formant des étoiles dans l’Univers primitif1. Les résultats “réaffirment l’énorme potentiel de futurs [Webb] des programmes pour transformer notre compréhension du jeune Univers », a écrit l’équipe, dirigée par Callum Donnan de l’Université d’Édimbourg, au Royaume-Uni, dans un article sur le serveur de préimpression arXiv.

De nombreuses galaxies se disputent le titre de “la plus éloignée”.

La ruée la plus médiatisée est peut-être la ruée des équipes de recherche en lice pour identifier la galaxie la plus éloignée dans les données Webb. Un certain nombre de candidats ont été repérés et devront être confirmés par d’autres études, mais tous battraient le record de Hubble pour la galaxie la plus lointaine, qui date d’environ 400 millions d’années après le Big Bang.2,3.

Image pixélisée de la galaxie de Maisie

Galaxie de Maisie : L’astronome Steven Finkelstein a surnommé cette galaxie lointaine d’après sa fille. Il estime qu’il date de 280 millions d’années après le Big Bang.Crédit : Steven Finkelstein (UT Austin), Micaela Bagley (UT Austin), Casey Papovich (Texas A&M) et l’équipe CEERS

Un concurrent est apparu dans une enquête Webb appelée GLASS qui comprenait une autre galaxie légèrement moins lointaine dans la même image4. “Le fait que nous ayons trouvé ces deux galaxies brillantes, c’était vraiment une surprise”, déclare Marco Castellano, astronome à l’Institut national d’astrophysique de Rome. Lui et ses collègues ne s’attendaient pas à trouver des galaxies aussi éloignées dans cette petite partie du ciel. Une deuxième équipe a également repéré indépendamment les deux galaxies5.

Les astronomes caractérisent la distance des galaxies avec une mesure connue sous le nom de décalage vers le rouge, qui quantifie à quel point la lumière d’une galaxie a été décalée vers des longueurs d’onde plus rouges ; plus le décalage vers le rouge est élevé, plus la galaxie est éloignée. Le candidat GLASS a un décalage vers le rouge d’environ 13. Mais les 25 et 26 juillet, quelques jours après que les astronomes ont signalé les galaxies GLASS, des articles affirmant des décalages vers le rouge encore plus élevés ont inondé le serveur de préimpression arXiv. “Ce n’est que le début du début”, déclare Rohan Naidu, astronome au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics à Cambridge, Massachusetts.

Un candidat, avec un redshift de 14, a émergé dans une enquête appelée CEERS, l’un des premiers projets les plus en vue de Webb. Le chercheur principal du CEERS, Steven Finkelstein de l’Université du Texas à Austin, a surnommé l’objet Maisie’s Galaxy, du nom de sa fille6. Une autre étude a examiné la toute première image en champ profond de Webb, publiée par le président américain Joe Biden le 11 juillet, et a trouvé deux galaxies potentielles à un décalage vers le rouge de 16, ce qui les placerait à peine 250 millions d’années après le Big Bang.sept. Et d’autres articles d’arXiv spéculent sur d’autres candidats, même jusqu’à des décalages vers le rouge de 208.

Certaines galaxies primitives sont étonnamment complexes.

Les galaxies lointaines de Webb s’avèrent également avoir plus de structure que les astronomes ne l’avaient prévu.

Une étude de la première image en champ profond de Webb a révélé un nombre étonnamment élevé de galaxies lointaines en forme de disques9. En utilisant Hubble, les astronomes avaient conclu que les galaxies lointaines ont une forme plus irrégulière que les galaxies proches, qui, comme la Voie lactée, affichent souvent des formes régulières telles que des disques. La théorie était que les premières galaxies étaient plus souvent déformées par les interactions avec les galaxies voisines. Mais les observations de Webb suggèrent qu’il y a jusqu’à 10 fois plus de galaxies distantes en forme de disque qu’on ne le pensait auparavant.

Première image en champ profond du télescope spatial James Webb

Le président américain Joe Biden a publié cette image en champ profond le 11 juillet – la première vue scientifique de Webb révélée publiquement.Crédit : NASA, ESA, ASC et STScI

“Avec la résolution de James Webb, nous sommes en mesure de voir que les galaxies ont des disques bien plus tôt que nous ne le pensions”, explique Allison Kirkpatrick, astronome à l’Université du Kansas à Lawrence. C’est un problème, dit-elle, car cela contredit les théories antérieures de l’évolution des galaxies. “Nous allons devoir comprendre cela.”

Un autre manuscrit de préimpression suggère que les galaxies massives se sont formées plus tôt dans l’Univers qu’on ne le savait auparavant. Une équipe dirigée par Ivo Labbé de l’Université de technologie de Swinburne à Melbourne, en Australie, rapporte avoir trouvé sept galaxies massives dans le champ CEERS, avec des décalages vers le rouge compris entre 7 et 10dix. “Nous en déduisons que les régions centrales d’au moins certaines galaxies massives étaient déjà en grande partie en place 500 millions d’années après le Big Bang, et que la formation de galaxies massives a commencé très tôt dans l’histoire de l’Univers”, ont écrit les scientifiques.

Et les études de la chimie galactique montrent également une image riche et compliquée émergeant des données Webb. Une analyse de la première image en champ profond a examiné la lumière émise par les galaxies à un décalage vers le rouge de 5 ou plus. (Les lignes spectrales qui apparaissent à différentes longueurs d’onde de lumière sont en corrélation avec les éléments chimiques composant les galaxies.) Il a trouvé une richesse surprenante d’éléments tels que l’oxygène11. Les astronomes pensaient que le processus d’enrichissement chimique – dans lequel les étoiles fusionnent l’hydrogène et l’hélium pour former des éléments plus lourds – prenait un certain temps, mais la découverte qu’il est en cours dans les premières galaxies “nous fera repenser la vitesse à laquelle la formation des étoiles se produit”. , dit Kirkpatrick.

Les galaxies plus proches sont plus petites que prévu.

Les surprises de Webb se poursuivent même un peu plus tard dans l’évolution de l’Univers. Une étude a examiné les observations de Webb sur le “midi cosmique”, la période d’environ 3 milliards d’années après le Big Bang. C’est à ce moment que la formation d’étoiles a atteint son apogée dans l’Univers et que le plus de lumière a été créée.

Wren Suess, astronome à l’Université de Californie à Santa Cruz, a comparé les images Hubble des galaxies à midi cosmique avec les images Webb des mêmes galaxies. Aux longueurs d’onde infrarouges détectées par Webb, la plupart des galaxies massives semblaient beaucoup plus petites que sur les images de Hubble12. “Cela change potentiellement toute notre vision de l’évolution de la taille des galaxies au fil du temps”, déclare Suess. Les études de Hubble ont suggéré que les galaxies commencent petites et grossissent avec le temps, mais les découvertes de Webb suggèrent que Hubble n’avait pas une vue d’ensemble, et donc l’évolution des galaxies pourrait être plus compliquée que les scientifiques ne l’avaient prévu.

Avec Webb juste au début d’un travail prévu de plus de 20 ans, les astronomes savent qu’ils ont beaucoup de changements à venir. “En ce moment, je me retrouve allongé éveillé à trois heures du matin”, dit Kirkpatrick, “en me demandant si tout ce que j’ai jamais fait est mal.”

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