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JWST réécrit les manuels d'astronomie

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La première image en champ profond JWST à montrer de grandes galaxies lointaines. Les observations du télescope révèlent un phénomène sans précédent et imposent une réécriture des manuels d’astronomie. Crédit : NASA, ESA, ASC, STScI

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La première image en champ profond JWST à montrer de grandes galaxies lointaines. Les observations du télescope révèlent un phénomène sans précédent et imposent une réécriture des manuels d’astronomie. Crédit : NASA, ESA, ASC, STScI

Lorsque le télescope spatial James Webb a été lancé fin 2021, nous nous attendions à des images époustouflantes et à des découvertes scientifiques éclairantes. Jusqu’à présent, le puissant télescope spatial a répondu à nos attentes. JWST nous a montré des choses sur le premier univers auxquelles nous ne nous attendions pas.

Certains de ces résultats imposent une réécriture des manuels d’astronomie.

Les manuels sont régulièrement mis à jour à mesure que de nouvelles preuves progressent dans le processus scientifique. Mais il est rare que de nouvelles preuves arrivent au rythme où JWST les fournit. Les chapitres sur l’univers primitif nécessitent une mise à jour importante.

Lors du récent atelier révolutionnaire de l’Institut international des sciences spatiales (ISSI) organisé en 2024 à Berne, en Suisse, un groupe de scientifiques a résumé certaines des réalisations du télescope jusqu’à présent. Leur travail est détaillé dans un nouveau papier Envoyé à arXiv serveur de préimpression intitulé « Le premier milliard d’années, selon JWST ».

La liste des auteurs est longue, et ces auteurs s’empressent de souligner qu’un groupe encore plus important de scientifiques internationaux a joué un rôle. Cela nécessite qu’une communauté scientifique internationale utilise les observations du JWST et fasse progresser la « compréhension collective de l’évolution de l’univers primitif », écrivent les auteurs.

L’univers primitif est l’un des principaux objectifs scientifiques du JWST. Ses propriétés infrarouges lui permettent de voir la lumière des anciennes galaxies avec une plus grande netteté que n’importe quel autre télescope. Le télescope a été conçu pour répondre directement à des questions déroutantes sur l’univers à fort redshift.

Les trois grandes questions suivantes sont des questions fondamentales en cosmologie auxquelles JWST répond.


JWST a capturé ces images de 19 galaxies spirales face à face dans le cadre du programme Physique à haute résolution angulaire du programme Near GalaxieS (PHANGS). Le télescope nous a montré que les premières galaxies étaient beaucoup plus grandes que prévu. Crédit : NASA, ESA, CSA, STScI, J. Lee (STScI), T. Williams (Oxford), équipe PHANGS, E. Wheatley (STScI)

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JWST a capturé ces images de 19 galaxies spirales face à face dans le cadre du programme Physique à haute résolution angulaire du programme Near GalaxieS (PHANGS). Le télescope nous a montré que les premières galaxies étaient beaucoup plus grandes que prévu. Crédit : NASA, ESA, CSA, STScI, J. Lee (STScI), T. Williams (Oxford), équipe PHANGS, E. Wheatley (STScI)

Quelles sont les propriétés physiques des premières galaxies ?

L’univers primitif et ses transformations sont fondamentaux pour notre compréhension de l’univers qui nous entoure aujourd’hui. Les galaxies en étaient à leurs balbutiements, les étoiles se formaient et les trous noirs se formaient et devenaient plus massifs.

Le télescope spatial Hubble s’est limité à des observations à env. z=11. JWST a repoussé cette limite. Ses observations actuelles à redshift élevé ont atteint z=14,32. Les astronomes pensent que JWST finira par observer des galaxies à z=20.


Le temps de rétrospection pour les observations extragalactiques à leur redshift jusqu’à z=20. Crédit : Sandizer – Travail personnel, CC0,

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Le temps de rétrospection pour les observations extragalactiques à leur redshift jusqu’à z=20. Crédit : Sandizer – Travail personnel, CC0,

Les premières centaines de millions d’années après le Big Bang sont appelées l’Aube Cosmique. JWST nous a montré que les anciennes galaxies à l’aube cosmique étaient beaucoup plus lumineuses et donc plus grandes que prévu. La galaxie découverte par le télescope à z=14,32, appelée JADES-GS-z14-0, possède plusieurs centaines de millions de masses solaires.

“Cela soulève la question suivante : comment la nature peut-elle créer une galaxie aussi brillante, aussi massive et aussi grande en moins de 300 millions d’années ?” Les scientifiques impliqués dans le JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) ont déclaré dans un article de la NASA.

Cela nous a également montré qu’ils avaient des formes différentes, qu’ils contenaient plus de poussière que prévu et que de l’oxygène était présent. La présence d’oxygène indique que des générations d’étoiles ont déjà vécu et sont mortes. “La présence d’oxygène si tôt dans la vie de cette galaxie est une surprise et suggère que plusieurs générations d’étoiles très massives avaient déjà vécu leur vie avant que nous observions la galaxie”, écrivent les chercheurs dans l’article.

“Toutes ces observations réunies nous indiquent que JADES-GS-z14-0 ne ressemble pas aux types de galaxies dont l’existence a été prédite par des modèles théoriques et des simulations informatiques dans le tout premier univers”, ont-ils poursuivi.


Cette image montre Hercules A, une galaxie de la constellation d’Hercule. Les observations aux rayons X montrent du gaz surchauffé et les observations radio montrent des jets de particules s’éloignant de l’AGN au centre de la galaxie. Les jets mesurent près d’un million d’années-lumière. Crédit : Radiographie : NASA/CXC/SAO ; visuel : NASA/STScI ; radio : NSF/NRAO/VLA.

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Cette image montre Hercules A, une galaxie de la constellation d’Hercule. Les observations aux rayons X montrent du gaz surchauffé et les observations radio montrent des jets de particules s’éloignant de l’AGN au centre de la galaxie. Les jets mesurent près d’un million d’années-lumière. Crédit : Radiographie : NASA/CXC/SAO ; visuel : NASA/STScI ; radio : NSF/NRAO/VLA.

Quelle est la nature des noyaux galactiques actifs dans les premières galaxies ?

Les noyaux galactiques actifs (AGN) sont des trous noirs supermassifs (SMBH) qui accumulent activement de la matière et émettent des jets et des vents.

Les quasars sont un sous-type d’AGN extrêmement lumineux et distants, et les observations de quasars montrent que les SMBH étaient présents au centre des galaxies dès 700 millions d’années après le Big Bang. Mais leurs origines restaient un mystère.

Les astrophysiciens pensent que ces premiers SMBH ont été créés par des « graines » de trous noirs qui étaient soit « légères », soit « lourdes ». Les graines brillantes avaient environ 10 à 100 masses solaires et étaient des restes stellaires. Les graines lourdes avaient 10 à 105 masses solaires et provenaient de l’effondrement direct de nuages ​​de gaz.

La capacité du JWST à remonter le temps lui a permis de détecter un ancien trou noir à environ 10 km/h. z=10,3, qui contient entre 107 à 108 masses solaires. Le télescope spatial Hubble n’a pas permis aux astronomes de mesurer la masse stellaire de galaxies entières comme le fait JWST.

Grâce à la puissance de JWST, les astronomes savent que le trou noir à z=10,3 a à peu près la même masse que la masse stellaire de toute sa galaxie. Cela contraste fortement avec les galaxies modernes, où la masse du trou noir ne représente qu’environ 0,1 % de la masse totale de l’étoile.

Un trou noir aussi massif, qui existait seulement environ 500 millions d’années après le Big Bang, prouve que les premiers trous noirs provenaient de graines lourdes. Ceci est en effet cohérent avec les prédictions théoriques. Les auteurs des manuels sont désormais en mesure de lever cette incertitude.


Cette chronologie graphique de l’univers montre où se situe l’époque de réionisation. Crédit : NASA – NASA, domaine public,

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Cette chronologie graphique de l’univers montre où se situe l’époque de réionisation. Crédit : NASA – NASA, domaine public,

Quand et comment l’univers primitif a-t-il été ionisé ?

Nous savons que l’hydrogène du premier univers a été ionisé pendant l’époque de réionisation (EoR). La lumière des premières étoiles, des trous noirs et des galaxies qui s’accrétaient, chauffait et réionisait l’hydrogène gazeux dans le milieu intergalactique (IGM), éliminant ainsi la nébuleuse primordiale, dense et chaude, qui imprégnait l’univers primitif.

Les jeunes étoiles constituaient la principale source de lumière pour la réionisation. Ils ont créé des bulles d’hydrogène ionisé en expansion qui se chevauchaient. Finalement, les bulles se sont dilatées jusqu’à ce que l’univers entier soit ionisé.

Ce fut une phase critique dans l’évolution de l’univers. Cela a permis aux futures galaxies, notamment aux galaxies naines, de refroidir leur gaz et de former des étoiles. Mais les scientifiques ne savent pas exactement comment les trous noirs, les étoiles et les galaxies ont contribué à la réionisation ni la période exacte à laquelle elle s’est produite.

“Nous savons que l’ionisation de l’hydrogène s’est produite, mais exactement quand et comment elle s’est produite constitue une pièce manquante majeure dans notre compréhension du premier milliard d’années”, écrivent les auteurs du nouvel article.

Les astronomes savaient que la réionisation avait pris fin environ 1 milliard d’années après le Big Bang, à environ redshift z=5-6. Mais avant JWST, il était difficile de mesurer les propriétés de la lumière UV qui en était à l’origine. Grâce aux capacités spectroscopiques avancées du JWST, les astronomes ont affiné les paramètres de réionisation.

“Nous avons trouvé des galaxies confirmées spectroscopiquement jusqu’à z = 13,2, ce qui suggère que la réionisation pourrait avoir commencé quelques centaines de millions d’années seulement après le Big Bang”, écrivent les auteurs.

Les résultats du JWST montrent également que l’accrétion des trous noirs et leur AGN n’ont probablement pas contribué à plus de 25 % de la lumière UV provoquant la réionisation.

Ces résultats nécessiteront une réécriture des chapitres des manuels sur l’EOR, même si des questions subsistent à ce sujet. “Il y a encore un débat considérable sur les principales sources de réionisation, en particulier la contribution des galaxies faibles”, écrivent les auteurs. Bien que JWST soit extraordinairement puissant, certains objets lointains et faibles se trouvent hors de sa portée.

Même à mi-chemin de sa mission, JWST a déjà transformé notre compréhension du premier milliard d’années de l’univers. Il a été construit pour répondre aux questions entourant l’époque de la génionisation, les premiers trous noirs et les premières galaxies et étoiles. Il y a certainement beaucoup plus à venir. Qui sait quelle sera la somme de ses contributions ?

En tant qu’écrivain astronomique, je suis extrêmement reconnaissant envers toutes les personnes qui ont donné vie à JWST. Sa construction a pris beaucoup de temps, a coûté beaucoup plus cher que prévu et a presque été annulée par le Congrès. Son chemin périlleux vers son achèvement me rend d’autant plus reconnaissant de couvrir ses découvertes. Les scientifiques qui utilisent les données du JWST sont également clairement reconnaissants.

“Nous dédions cet article aux 20 000 personnes qui ont passé des décennies à faire de JWST une incroyable machine à découvertes”, écrivent-ils.

Plus d’information:
Angela Adamo et al., The First Billion Years, selon JWST, arXiv (2024). DOI : 10.48550/arxiv.2405.21054

Informations sur la revue :
arXiv


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