« Regardez ça », dit le message d’Erica. Elle se penche sur les toutes premières images du tout nouveau télescope spatial James Webb (JWST).
Nous sommes en juillet 2022, à peine une semaine après la publication de ces premières images du super télescope révolutionnaire. Vingt-cinq ans dans la fabrication, cent à mille fois plus puissant que n’importe quel télescope précédent, l’une des expériences scientifiques les plus grandes et les plus ambitieuses de l’histoire humaine : il est difficile de ne pas parler avec des superlatifs, et tout est vrai.
Le télescope a pris des décennies à construire, car il devait être rendu pliable pour s’adapter au sommet d’une fusée et être envoyé dans le froid de l’espace, à 1,5 million de km de la Terre. Ici, loin de la lueur thermique de la Terre, JWST peut détecter la plus faible lumière infrarouge de l’univers lointain.
Je ne savais pas que parmi les images se trouve un petit point rouge qui bouleversera notre compréhension de la formation des premières galaxies après le Big Bang. Après des mois d’analyse, mes collègues et moi venons publié nos résultats en Nature.
Chasser de nouveaux types de galaxies
Erica et moi sommes à la recherche de nouveaux types de galaxies. Des galaxies que le vénérable télescope spatial Hubble avait manquées, même après des décennies d’observation du ciel.
Elle et moi, il y a 15 ans. Nous nous sommes rencontrés alors qu’elle était étudiante en première année dans une université d’arts libéraux californienne et que j’étais tout juste titulaire d’un doctorat. tout droit sorti de l’université, je viens de commencer mon premier travail en tant que chercheur à Los Angeles. JWST n’était qu’une rumeur lointaine.
D’une manière ou d’une autre, de nombreuses années plus tard, nos chemins se sont croisés à nouveau, et maintenant la professeure adjointe Erica Nelson de l’Université du Colorado et moi-même nous retrouvons à la pointe de la lance en attaquant les premières données d’un JWST très réel.
« OVNIS », elle appelle les nouvelles galaxies, et je peux lire un sourire géant entre les lignes : « objets aplatis ultra-rouges », car ils ressemblent tous à des soucoupes volantes. Dans les images en couleur, elles apparaissent très rouges parce que toute la lumière sort dans l’infrarouge, tandis que les galaxies sont invisibles aux longueurs d’onde que les humains peuvent voir.
L’infrarouge est la superpuissance de JWST, lui permettant d’espionner les galaxies les plus lointaines. La lumière ultraviolette et visible des premières étoiles et galaxies qui se sont formées après le Big Bang est étirée par l’expansion de l’univers alors qu’elle se dirige vers nous, de sorte qu’au moment où la lumière nous atteint, nous la voyons comme une lumière infrarouge.
Des galaxies incroyablement précoces et incroyablement massives
Toutes les galaxies d’Erica ressemblent à des soucoupes, sauf une. Je fixe le petit point rouge sur l’écran. Ce n’est pas un OVNI. Et puis ça me frappe : c’est quelque chose de très différent. Beaucoup plus important.
Je lance le logiciel d’analyse sur la petite piqûre d’épingle et il crache deux chiffres : distance 13,1 milliards d’années-lumière, masse 100 milliards d’étoiles, et j’ai failli recracher mon café. Nous venons de découvrir l’impossible. Des galaxies incroyablement précoces et incroyablement massives.
A cette distance, la lumière a mis 13 milliards d’années pour nous parvenir, nous voyons donc les galaxies à une époque où l’univers n’avait que 700 millions d’années, soit à peine 5% de son âge actuel de 13,8 milliards d’années. Si cela est vrai, cette galaxie a formé autant d’étoiles que notre Voie lactée actuelle. En un temps record.
Et là où il y en a un, il y en a plus. Un jour plus tard, j’en avais trouvé six.
Le chaînon manquant de l’astronomie ?
Aurions-nous pu découvrir le chaînon manquant de l’astronomie ? Il y a eu un casse-tête de longue date dans la formation des galaxies. Alors que nous regardons dans l’espace et dans le temps, nous voyons les « cadavres » de galaxies matures entièrement formées apparaître apparemment de nulle part environ 1,5 milliard d’années après le Big Bang.
Ces galaxies ont cessé de former des étoiles. Les galaxies mortes, nous les appelons, et certains astronomes en sont obsédés. Les âges stellaires de ces galaxies mortes suggèrent qu’elles doivent s’être formées beaucoup plus tôt dans l’univers, mais Hubble n’a jamais été en mesure de repérer leurs stades de vie antérieurs.
Les premières galaxies mortes sont des créatures vraiment bizarres, contenant autant d’étoiles que la Voie lactée, mais dans une taille 30 fois plus petite. Imaginez un adulte, pesant 100 kilos, mais mesurant 6 cm de haut. Nos petits points rouges sont tout aussi bizarres. Ils ressemblent à des versions bébés des mêmes galaxies, pesant également 100 kilos, avec une hauteur de 6 cm.
Trop d’étoiles, trop tôt
Il y a cependant un problème. Ces petits points rouges ont trop d’étoiles, trop tôt. Les étoiles se forment à partir d’hydrogène gazeux, et la théorie cosmologique fondamentale (« Big Bang ») fait des prédictions précises sur la quantité de gaz disponible pour former des étoiles.
Pour produire ces galaxies si rapidement, il faut presque que tout le gaz de l’univers se transforme en étoiles avec une efficacité proche de 100 %. Et c’est très difficile, qui est le terme scientifique pour impossible. Cette découverte pourrait transformer notre compréhension de la formation des premières galaxies de l’univers.
L’implication est qu’il existe un canal différent, une voie rapide, qui produit des galaxies monstres très rapidement, très efficacement. Une voie rapide pour les 1 % les plus riches.
D’une certaine manière, chacun de ces candidats peut être considéré comme un « cygne noir ». La confirmation d’un seul exclurait notre modèle actuel de formation de galaxies « tous les cygnes sont blancs », dans lequel toutes les premières galaxies se développent lentement et progressivement.
Vérification des empreintes digitales
La première étape pour résoudre ce mystère est de confirmer les distances avec la spectroscopie, où nous faisons passer la lumière de chacune de ces galaxies à travers un prisme et la divisons en son empreinte digitale semblable à un arc-en-ciel. Cela nous indiquera la distance avec une précision de 0,1 %.
Il nous dira également ce qui produit la lumière, que ce soit des étoiles ou autre chose de plus exotique.
Par chance, il y a environ un mois, JWST ciblait déjà l’une des six galaxies massives candidates et il s’est avéré qu’il s’agissait d’un bébé quasar lointain. Un quasar est un phénomène qui se produit lorsque du gaz tombe dans un trou noir supermassif au centre d’une galaxie et commence à briller de mille feux.
C’est vraiment excitant d’une part, car l’origine des trous noirs supermassifs dans les galaxies n’est pas non plus comprise, et la découverte de bébés quasars pourrait bien détenir la clé. D’un autre côté, les quasars peuvent éclipser toute leur galaxie hôte, il est donc impossible de dire combien d’étoiles il y a et si la galaxie est vraiment aussi massive.
Serait-ce la réponse pour chacun d’eux? Des bébés quasars partout ? Probablement pas, mais il faudra encore un an pour étudier les galaxies restantes et le découvrir.
Un cygne noir abattu, il reste cinq.
Plus d’information:
Ivo Labbé et al, Une population de galaxies massives candidates rouges ~ 600 Myr après le Big Bang, Nature (2023). DOI : 10.1038/s41586-023-05786-2
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