La première galaxie confirmée avec z >14 observée par le télescope JWST

L’un des principaux objectifs du télescope spatial JWST est d’observer les galaxies avec un redshift z ≈ 14. Jusqu’à présent, la première galaxie confirmée par spectrographie était JADES-GS-z13-0, avec z = 13,2 (LCMF, 12 décembre 2022) , bien que les plus célèbres soient GN-z11 (z = 10,6) et GLASS-z12 (z = 12,12). Deux articles sont publiés dans arXiv à propos du nouveau record, la galaxie JADES-GS-z14-0, avec z = 14,32 ; qui a en réalité 14,12 +0,08_−0,20), ce qui implique 13.92 14 de la campagne JADES (Enquête extragalactique profonde avancée JWST) dans les MARCHANDISES-S (Great Observatories Origins Deep Survey – Champ Sud); leurs redshifts photométriques étaient z = 14,36 (JADES-GS-z14-1), z = 14,44 (JADES-GS-53.10763-27.86014) et z = 14,51 (JADES-GS-z14-0). Malheureusement, le rapport signal/bruit dans NIRSpec pour le deuxième candidat a été insuffisant pour le confirmer avec son spectre ; pour le premier candidat (JADES-GS-z14-1) z = 13,90 ± 0,17 a été estimé. À propos, des indications à 3,6 sigma de signification de la raie spectrale d’émission CIII]λλ1907,1909 sont observées à 2,89 μm, ce qui implique z = 14,178 ± 0,013 pour JADES-GS-z14-0. Ainsi, le nouvel enregistrement JWST aurait z = 14,2 (même si tous les médias soulignent qu’il a z = 4,32).

Dans les images NIRCam, la galaxie GS-z14-0 est observée à côté d’une galaxie de premier plan, également observée avec NIRSpec, z = 3,475. La comparaison entre ses spectres indique qu’il n’induit aucune contamination appréciable dans le spectre du GS-z14-0. De plus, on estime que son effet de lentille gravitationnelle amplifierait, au maximum, la lumière de GS-z14-0 d’un facteur 1,2. Les deux nouvelles galaxies confirmées avec z ≈ 14 sont observées lorsque l’univers avait environ 300 millions d’années. Ce sont deux petites galaxies avec de jeunes étoiles de très faible métallicité, âgées d’environ 100 millions d’années seulement. Plus précisément, le GS-z14-0 a un rayon (dans l’ultraviolet) de 260 ± 20 pc et le GS-z14-1 un rayon plus petit de 160 pc ; Cette valeur est à comparer avec la Voie Lactée, dont le rayon stellaire est d’environ 15 kpc (la distance entre le Soleil et Sgr A* est de 8 kpc), elles sont donc entre 50 et 100 fois plus petites. Il est exclu qu’il existe un noyau galactique actif (AGN) dans les deux galaxies qui contribue de manière significative à leur luminosité. De plus, le spectre de GS-z14-1 peut être ajusté par une loi de puissance d’indice β = −2,71 ± 0,19, alors qu’il devrait avoir une valeur β =−2,3 pour être dominé par un AGN. Dans le cas de GS-z14-0, on obtient β = −2,20 ± 0,07, mais il est exclu qu’il soit dominé par un AGN pour d’autres raisons.

À mon avis, le plus important est que plusieurs caractéristiques de ces galaxies avec z ≈ 14 sont très différentes de celles observées dans les galaxies avec z ≈ 6, qui sont la référence utilisée jusqu’à présent pour interpréter les observations. Ce nouveau succès de JWST, lorsque les statistiques de galaxies confirmées avec z > 10 seront suffisantes, permettra d’améliorer les modèles de formation galactique, ce qui impactera les manuels d’astrophysique. Les deux articles publiés sont Stefano Carniani, Kevin Hainline, …, Christopher NA Willmer, “A Shiny Cosmic Dawn: Spectroscopique confirmation de deux galaxies lumineuses à z∼14”, arXiv:2405.18485 [astro-ph.GA] (28 mai 2024), est ce que je: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18485; y Jakob M. Helton, George H. Rieke,…, Yongda Zhu, « Détection photométrique JWST/MIRI à 7,7 μm du continuum stellaire et émission nébulaire dans une galaxie à z>14 », arXiv : 2405.18462 [astro-ph.GA] (28 mai 2024), est ce que je: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18462. Informations plus informatives dans « Le télescope spatial James Webb de la NASA trouve la galaxie la plus éloignée connue » JWST NASA, 30 mai 2024.

Si vous comparez le spectre NIRSpec de GS-z14-1 (z ≈ 13,9) avec celui de GS-z14-0 (z ≈ 14,2), vous pouvez voir qu’il a une troisième intensité inférieure (en partie parce qu’il est beaucoup moins lumineux que GS). – z14-1 car sa taille est beaucoup plus petite). Ainsi, le profil de corte de Lyman (Pause Lyman), qui pour ces galaxies se déplace de l’ultraviolet vers l’infrarouge, présente une pente plus difficile à estimer, d’où la plus grande incertitude dans l’estimation de leur redshift z. Cela influence également le fait que les raies d’émission n’ont pas pu être observées, dont la présence est exclue au 3 sigma.

Le spectre NIRSpec du troisième candidat étudié est compatible avec le bruit (c’est pourquoi il conserve son nom de position JADES-GS-53.10763-27.86014). Cette galaxie candidate avec z ≈ 14 n’a pas une intensité suffisante pour être observée avec NIRSpec. Grâce à cela, son redshift photométrique az = 14,6 a été réestimé (auparavant il était z = 14,44), mais il faut être très prudent avec cette valeur (puisque la photométrie surestime généralement la spectrographie).

Revenant au protagoniste principal des articles, JADES-GS-z14-0, il a été observé avec MIRI dans l’infrarouge moyen à 7,7 μm (FW770W). Une émission excédentaire de F770W (MIRI) est observée par rapport à F444W (NIRCam), qui est interprétée comme due à une combinaison des raies d’émission de l’hydrogène Hβ (ligne bêta de Balmer entre les niveaux n = 4 et n = 2, qui est dans le visible, de couleur bleue pour z = 0) et d’oxygène ionisé trois fois [OIII]λλ4959, 5007 (qui est également dans le visible). Il n’est pas facile d’estimer lequel des deux contribue le plus, mais un modèle spécifique (BAGPIPES) a été utilisé qui permet d’estimer leur quotient. [OIII]/Hβ = 2,5^+0,9_−0,6; (bien qu’avec d’autres paramètres dans le même modèle, nous obtenons [OIII]/Hβ = 1,9^+2,6_−0,7). Ce qui est important, c’est que cette valeur est très différente de la valeur [OIII]/Hβ ≈ 6 typique des galaxies avec z ≈ 8. Bien entendu, il faut être très prudent avec ces estimations, car elles sont basées sur un seul point (comme le montre la figure de droite).

Les deux galaxies avec z ≈ 14 observées ont des caractéristiques très différentes des galaxies avec z ≈ 6, qui servent habituellement de référence dans de nombreuses études sur la formation galactique. Ces grandes différences impliquent que les galaxies évoluent très rapidement dans les 600 millions d’années qui différencient z ≈ 14 et z ≈ 6. Les points bleus sont les galaxies candidates avec z > 8 identifiées par le projet JADES dans les champs GOODS-S (sud) et GOODS-N (nord); Ils sont appelés candidats car leur redshift z a été estimé photométriquement avec NIRCam. Les carrés rouges sont les galaxies redshift confirmées par spectrographie NIRSpec (le pentagone rouge est la galaxie GLASS-z12, ici appelée GHZ2, du catalogue GLASS). Les trois galaxies z ≈ 14 étudiées apparaissent dans un cercle noir.

Enfin, je voudrais souligner à nouveau qu’il est exclu que GS-z14-0 et GS-z14-1 soient dominés dans l’ultraviolet par un AGN. Ce résultat semble suggérer que l’évolution précoce de ces galaxies n’est pas dominée par l’activité de leur trou noir supermassif (SMBH). Bien que ce résultat doive être interprété avec prudence, puisque l’AGN pourrait être obscurci dans l’ultraviolet. La cause pourrait être l’orientation du trou noir, la présence de grandes quantités de poussière et de gaz interstellaires, ou une combinaison des deux. Tant qu’il n’existera pas de statistiques plus larges sur les galaxies avec z ≈ 14, il ne sera pas possible de déduire l’impact de ces observations sur la coévolution précoce des galaxies et des trous noirs supermassifs.