Ces six galaxies lointaines capturées par JWST épatent les astronomes

Ce mois-ci, des chercheurs ont dévoilé les résultats de l’un des relevés astronomiques les plus importants et les plus profonds du ciel nocturne réalisé par le télescope spatial James Webb (JWST). L’effort a identifié certaines des premières galaxies jamais vues – dans les 650 premiers millions d’années après la naissance de l’Univers dans le Big Bang. Et les découvertes ont ébloui les astronomes, révélant que les étoiles et les galaxies se formaient et évoluaient bien plus tôt que quiconque ne le soupçonnait.

Le projet, connu sous le nom de JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), a scruté plusieurs parcelles de ciel, dont une dans la constellation Fornax – rendue célèbre en 2004 après que le télescope spatial Hubble l’a regardé pendant 11 jours, révélant des milliers de galaxies. Contrairement à Hubble, cependant, JWST fonctionne principalement dans les longueurs d’onde infrarouges de la lumière, ce qui le rend idéal pour repérer des galaxies extrêmement lointaines, dont la lumière est étirée à mesure que l’Univers se dilate, ce qui la fait apparaître plus rouge.

La lumière des étoiles de ces objets a parcouru de si grandes distances qu’ils ont l’air d’être tels qu’ils étaient peu de temps après le Big Bang, il y a 13,8 milliards d’années. Les astronomes mesurent la distance à l’aide d’un facteur connu sous le nom de décalage vers le rouge : plus le décalage vers le rouge est élevé, plus l’objet est éloigné.

Avant le lancement de JWST en 2021, seules quelques dizaines de galaxies avaient été repérées à des décalages vers le rouge supérieurs à 8. JADES a identifié un énorme 717 galaxies qui se situent probablement dans cette gamme¹. Ici, les astronomes aident Nature donner un sens au déluge de données en choisissant certaines de leurs galaxies préférées (classées de la plus lointaine à la moins lointaine) et en expliquant ce que les objets peuvent nous apprendre sur les débuts de l’Univers.

Le détenteur du record

Cette tache rouge floue n’a peut-être pas l’air de grand-chose, mais c’est l’actuel détenteur du record de l’objet le plus éloigné connu dans l’univers. JWST a découvert la galaxie, connue sous le nom de JADES-GS-z13-0, à la fin de l’année dernière, puis a confirmé², grâce à des études détaillées de sa lumière stellaire, qu’il se situe à un décalage vers le rouge de 13,2. Cela signifie qu’il ressemble à ce qu’il était à peine 320 millions d’années après le Big Bang.

La galaxie est physiquement petite, à peine quelques centaines d’années-lumière de diamètre, mais produit de nouvelles étoiles à un rythme comparable à celui de la Voie lactée aujourd’hui, explique Brant Robertson, astronome à l’Université de Californie à Santa Cruz. C’est remarquable parce que les scientifiques pensaient que les premières galaxies à se former dans l’Univers se réuniraient lentement au fur et à mesure que les étoiles s’enflammeraient et fusionneraient. JADES-GS-z13-0 et d’autres objets de ce type montrent³ que les premières galaxies étaient des foyers de formation d’étoiles.

“Ces galaxies sont les éléments constitutifs de la structure de l’Univers”, explique Kevin Hainline, astronome à l’Université d’Arizona à Tucson. Avec JWST, ajoute-t-il, « nous les voyons partout ».

L’os de chien brillant

Les chercheurs pensent que cet objet en forme d’os de chien est à un décalage vers le rouge de 11,3, bien que cette distance doive encore être confirmée. En supposant que ce soit le cas, il apparaît alors tel qu’il était environ 400 millions d’années après le Big Bang.

JWST trouve plus de structure au début de l’Univers que quiconque ne l’avait prévu : l’os de chien semble être deux galaxies plus petites en train de fusionner. Ainsi, 400 millions d’années après le Big Bang, l’Univers avait déjà formé des étoiles qui se sont regroupées en galaxies, et deux de ces galaxies se sont réunies.

Avant que JWST ne commence à sonder le ciel nocturne, les scientifiques n’avaient pas pensé qu’une telle action galactique était possible si tôt dans l’Univers. “Je ne m’attendais pas du tout à voir ces types d’objets dans nos données”, déclare Hainline.

Celui avec (peut-être) les premières étoiles

Avec un décalage vers le rouge de 10,6, cette galaxie est étonnamment brillante à seulement 430 millions d’années après le Big Bang, dit Robertson. Repérée pour la première fois avec Hubble, la galaxie, appelée GN-z11, apparaît comme une sphère brillante incroyablement compacte sous le regard de JWST⁴. Cette luminosité pourrait provenir d’un trou noir géant en son centre, autour duquel gaz et poussière surchauffés s’enroulent en spirale.⁵.

D’autres observations du JWST suggèrent que cette galaxie contient certaines des premières étoiles à se former dans l’Univers⁶. La preuve, sous la forme de poches chimiquement inhabituelles d’hélium gazeux primordial autour des bords de la galaxie, est provisoire.

Mais les toutes premières étoiles auraient été constituées principalement d’hydrogène et d’hélium, avec très peu d’autres éléments chimiques. C’est exactement ce que JWST aurait pu remarquer dans GN-z11. Si tel est le cas, cela réaliserait le rêve de longue date des astronomes de détecter ces étoiles.

Le gros grumeleux

Cette galaxie bulbeuse se situe à un décalage vers le rouge de 8, ce qui la place environ 300 millions d’années plus tard que le détenteur du record. Compte tenu de la structure agglomérée qu’elle a développée, cependant, ces 300 millions d’années ont dû être remplies d’action.

Si les 13,8 milliards d’années de l’histoire de l’Univers étaient compressées en un film de deux heures, les cinq premières minutes – qui établissent l’intrigue pour tout ce qui suit – montreraient toutes les premières galaxies que JWST trouve, dit Hainline. Et cette énorme galaxie, qui s’étend sur quelque 3,7 kiloparsecs (12 000 années-lumière), indique que l’Univers était dynamique depuis le début.

Celui à l’envers

Cette petite galaxie, vue telle qu’elle était 700 millions d’années après le Big Bang, a plus d’étoiles qui se forment dans sa périphérie qu’en son centre.

“C’est la première fois que nous pouvons quantifier la croissance de l’intérieur vers l’extérieur à un stade aussi précoce” de l’Univers, déclare Sandro Tacchella, astrophysicien à l’Université de Cambridge, au Royaume-Uni. C’est surprenant car la théorie suggère le contraire – que les premières galaxies devraient avoir des étoiles se formant plus près de leurs centres.

Cette galaxie semble avoir commencé tout de suite, formant autant d’étoiles dans son cœur compact que les grandes galaxies en ont maintenant⁷. Après cela, il s’est tourné vers la fabrication d’étoiles dans sa périphérie, qui est le stade auquel les astronomes peuvent le voir aujourd’hui.

La rose cosmique

Ce rassemblement floral de galaxies très poussiéreuses et très rouges a attiré l’attention de l’équipe JADES presque immédiatement, gagnant le surnom de rose cosmique.

“Il a une place spéciale dans le cœur de l’équipe”, explique Stacey Alberts, astronome à l’Université de l’Arizona à Tucson. “Sur le plan scientifique, c’est une belle démonstration du bond en avant du JWST pour comprendre à quel point l’Univers est rouge.”

Les galaxies de la rose ne sont probablement pas physiquement liées les unes aux autres, car elles se trouvent à des distances variables englobant des décalages vers le rouge de 2,5 à 3,9. Mais ces valeurs les placent au cœur du « midi cosmique », une période d’environ trois milliards d’années après le Big Bang, lorsque les galaxies ont formé des étoiles si rapidement et furieusement qu’elles ont produit la plupart des étoiles connues dans l’Univers aujourd’hui.