Pendant des décennies, les télescopes nous ont aidés à capturer la lumière des galaxies qui se sont formées jusqu’à 400 millions d’années après le big bang, incroyablement tôt dans le contexte des 13,8 milliards d’années d’histoire de l’univers. Mais à quoi ressemblaient les galaxies qui existaient encore plus tôt, lorsque l’univers était semi-transparent au début d’une période connue sous le nom d’ère de la réionisation ? Le prochain observatoire phare de la NASA, le télescope spatial James Webb, est sur le point d’ajouter de nouvelles richesses à notre richesse de connaissances, non seulement en capturant des images de galaxies qui existaient dès les premières centaines de millions d’années après le big bang, mais aussi en nous donnant données détaillées appelées spectres. Grâce aux observations de Webb, les chercheurs pourront pour la première fois nous parler de la composition et de la composition des galaxies individuelles dans l’univers primitif.
L’enquête publique exploratoire extragalactique profonde de nouvelle génération (NGDEEP), co-dirigée par Steven L. Finkelstein, professeur agrégé à l’Université du Texas à Austin, ciblera les deux mêmes régions qui composent le Hubble Ultra Deep Field – emplacements dans le constellation Fornax où Hubble a passé plus de 11 jours à prendre des expositions profondes. Pour produire ses observations, le télescope spatial Hubble a ciblé simultanément des zones voisines du ciel avec deux instruments – légèrement décalés l’un de l’autre – connus sous le nom de champ primaire et parallèle. « Nous avons le même avantage avec Webb », a expliqué Finkelstein. « Nous utilisons deux instruments scientifiques à la fois, et ils observeront en continu. » Ils pointeront l’imageur proche infrarouge et le spectrographe sans fente (NIRISS) de Webb sur le Hubble Ultra Deep Field principal, et la caméra proche infrarouge de Webb (NIRCam) sur le champ parallèle, obtenant deux fois plus pour leur « argent » de temps de télescope.
Pour l’imagerie avec NIRCam, ils observeront pendant plus de 125 heures. À chaque minute qui passe, ils obtiendront de plus en plus d’informations de plus en plus profondément dans l’univers. Que cherchent-ils ? Certaines des premières galaxies qui se sont formées. « Nous avons de très bonnes indications de Hubble qu’il y a des galaxies en place à un moment 400 millions d’années après le big bang », a déclaré Finkelstein. « Celles que nous voyons avec Hubble sont assez grandes et très lumineuses. Il est fort probable qu’il y ait des galaxies plus petites et plus faibles qui se sont formées encore plus tôt et qui attendent d’être découvertes. »
Ce programme n’utilisera qu’environ un tiers du temps que Hubble a consacré à ce jour à des enquêtes similaires. Pourquoi? Cela s’explique en partie par le fait que les instruments de Webb ont été conçus pour capturer la lumière infrarouge. Au fur et à mesure que la lumière voyage dans l’espace vers nous, elle s’étend dans des longueurs d’onde plus longues et plus rouges en raison de l’expansion de l’univers. « Webb nous aidera à repousser toutes les limites », a déclaré Jennifer Lotz, co-chercheuse sur la proposition et directrice de l’Observatoire Gemini, qui fait partie du NOIRLab (National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory) de la National Science Foundation. « Et nous allons publier les données immédiatement au profit de tous les chercheurs. »
Ces chercheurs se concentreront également sur l’identification de la teneur en métal dans chaque galaxie, en particulier dans les galaxies plus petites et plus sombres qui n’ont pas encore été examinées en profondeur, en particulier avec les spectres fournis par l’instrument NIRISS de Webb. « L’un des moyens fondamentaux de suivre l’évolution dans le temps cosmique est la quantité de métaux présents dans une galaxie », a expliqué Danielle Berg, professeure adjointe à l’Université du Texas à Austin et co-chercheuse sur la proposition. Au début de l’univers, il n’y avait que de l’hydrogène et de l’hélium. De nouveaux éléments ont été formés par des générations successives d’étoiles. En cataloguant le contenu de chaque galaxie, les chercheurs pourront tracer avec précision quand divers éléments existaient et mettre à jour des modèles qui projettent comment les galaxies ont évolué dans l’univers primitif.
Faites un voyage dans le temps et l’espace jusqu’au début de l’univers avec le télescope spatial James Webb de la NASA. Comment Webb révélera-t-il les premières galaxies inédites ? Que recherchent les astronomes ? Découvrez les réponses à ces questions et plus encore avec cette vidéo. Crédit : NASA, ESA, ASC, Danielle Kirshenblat (STScI)
Décoller de nouvelles couches
Un autre programme, dirigé par Michael Maseda, professeur adjoint à l’Université du Wisconsin-Madison, examinera le champ primaire Hubble Ultra Deep en utilisant le réseau de micro-obturateurs du spectrographe proche infrarouge (NIRSpec) de Webb. Cet instrument renvoie des spectres pour des objets spécifiques en fonction des obturateurs miniatures que les chercheurs ouvrent. « Ces galaxies ont existé pendant le premier milliard d’années de l’histoire de l’univers, sur laquelle nous avons très peu d’informations à ce jour », a expliqué Maseda. « Webb fournira le premier grand échantillon qui nous donnera la chance de les comprendre en détail. »
Nous savons que ces galaxies existent grâce aux observations approfondies que cette équipe a faites – avec une équipe de recherche internationale – avec l’instrument MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) du Very Large Telescope basé au sol. Bien que MUSE soit le « éclaireur », identifiant les galaxies plus petites et plus faibles dans ce champ profond, Webb sera le premier télescope à caractériser pleinement leurs compositions chimiques.
Ces galaxies extrêmement éloignées ont des implications importantes pour notre compréhension de la formation des galaxies dans l’univers primitif. « Webb ouvrira un nouvel espace de découverte », a expliqué Anna Feltre, chercheuse à l’Institut national d’astrophysique en Italie et co-chercheuse. « Ses données nous aideront à savoir précisément ce qui se passe lorsqu’une galaxie se forme, y compris quels métaux elles contiennent, à quelle vitesse elles se développent et si elles ont déjà des trous noirs. »
Cette recherche sera menée dans le cadre des programmes General Observer (GO) de Webb, qui sont sélectionnés de manière compétitive à l’aide d’un double examen anonyme, le même système qui est utilisé pour allouer du temps sur le télescope spatial Hubble.