L’un des objectifs scientifiques du télescope spatial James Webb est de comprendre comment les galaxies du premier univers se sont formées et ont évolué pour devenir des galaxies beaucoup plus grandes comme notre propre Voie lactée. Cet objectif nécessite d’identifier des échantillons de galaxies à différents moments de l’histoire de l’univers pour explorer comment leurs propriétés évoluent avec le temps.
Nous avons demandé à Micaela Bagley, chercheuse postdoctorale à l’Université du Texas à Austin, d’expliquer comment les astronomes analysent la lumière des galaxies lointaines et déterminent « à quel moment dans l’histoire de l’univers » nous les observons.
« La lumière met du temps à voyager à travers l’espace. Lorsque la lumière d’une galaxie lointaine (ou de tout objet dans l’espace) nous atteint, nous voyons cette galaxie telle qu’elle est apparue dans le passé. Pour déterminer le « quand » dans le passé, nous utilisons le le redshift de la galaxie.
« Redshift nous indique combien de temps la lumière a passé à être étirée vers des longueurs d’onde plus longues par l’expansion de l’univers alors qu’elle se déplace pour nous atteindre. Nous pouvons calculer le redshift en utilisant les caractéristiques du spectre de la galaxie, qui est une observation qui étale la lumière de une cible par longueur d’onde, échantillonnant essentiellement la lumière à de très petits intervalles. Nous pouvons mesurer les raies d’émission et les ruptures spectrales (changements brusques de l’intensité lumineuse à des longueurs d’onde spécifiques) et comparer leurs longueurs d’onde observées avec leurs longueurs d’onde émises connues.
« L’un des moyens les plus efficaces d’identifier les galaxies consiste à utiliser l’imagerie, par exemple avec l’instrument NIRCam (Near-Infrared Camera) de l’observatoire. Nous prenons des images à l’aide de plusieurs filtres pour collecter la lumière de l’objet dans plusieurs couleurs différentes. Lorsque nous mesurons la photométrie d’une galaxie , ou la luminosité d’une image, nous mesurons la luminosité de l’objet en moyenne sur toute la gamme de longueurs d’onde transmises par le filtre. Nous pouvons observer une galaxie avec les filtres d’imagerie à large bande de NIRCam, mais il y a beaucoup d’informations détaillées caché dans chaque mesure pour chaque tranche de 0,3 à 1,0 microns de couverture de longueur d’onde.
« Pourtant, nous pouvons commencer à contraindre la forme du spectre d’une galaxie. La forme du spectre est affectée par plusieurs propriétés, notamment le nombre d’étoiles qui se forment dans la galaxie, la quantité de poussière qui y est présente et l’ampleur du décalage vers le rouge de la lumière de la galaxie. Nous comparons la luminosité mesurée de la galaxie dans chaque filtre à la luminosité prédite pour un ensemble de modèles de galaxies couvrant une plage de ces propriétés à une plage de redshifts. En fonction de la façon dont les modèles s’ajustent aux données, nous pouvons déterminer la probabilité que la la galaxie se trouve à un redshift ou à un « moment de l’histoire » donné. Le redshift le mieux adapté déterminé grâce à cette analyse est appelé redshift photométrique.
« En juillet 2022, les équipes ont utilisé les images NIRCam de l’enquête CEERS pour identifier deux galaxies avec des redshifts photométriques supérieurs à 11 (lorsque l’univers avait moins de 420 millions d’années.) Aucun de ces objets n’a été détecté par les observations du télescope spatial Hubble de la NASA dans cette champ parce qu’ils sont soit trop faibles, soit détectables uniquement à des longueurs d’onde en dehors de la sensibilité de Hubble. Ce furent des découvertes très excitantes avec le nouveau télescope.
« Cependant, le redshift photométrique d’une galaxie est quelque peu incertain. Par exemple, nous pouvons être en mesure de déterminer qu’une cassure spectrale est présente dans un filtre, mais pas la longueur d’onde précise de la cassure. Bien que nous puissions estimer un redshift le mieux adapté en fonction lors de la modélisation de la photométrie, la distribution de probabilité résultante est souvent large.
« De plus, les galaxies à différents redshifts peuvent avoir des couleurs similaires dans les filtres à large bande, ce qui rend difficile la distinction de leurs redshifts uniquement sur la base de la photométrie. Par exemple, les galaxies rouges et poussiéreuses à redshifts inférieurs à 5 (ou lorsque l’univers avait 1,1 milliard d’années ou plus anciennes) et les étoiles froides de notre propre galaxie peuvent parfois imiter les mêmes couleurs d’une galaxie à redshift élevé. Nous considérons donc toutes les galaxies sélectionnées en fonction de leur redshift photométrique comme candidates à un redshift élevé jusqu’à ce que nous puissions obtenir un redshift plus précis.
« Nous pouvons déterminer un redshift plus précis pour une galaxie en obtenant un spectre. Comme l’illustre la figure suivante, notre calcul de la distribution de probabilité de redshift s’améliore à mesure que nous mesurons la photométrie d’une galaxie par pas de longueur d’onde de plus en plus fins. La distribution de probabilité se rétrécit à mesure nous passons de l’utilisation de filtres à large bande pour l’imagerie (en haut) à un plus grand nombre de filtres plus étroits (au milieu), à un spectre (en bas). Dans la rangée du bas, nous pouvons commencer à saisir des caractéristiques spécifiques comme la coupure spectrale à l’extrême gauche et raies d’émission pour obtenir une distribution de probabilité de redshift très précise : un redshift spectroscopique.
« En février 2023, les équipes du CEERS ont suivi leurs candidats à redshift élevé avec l’instrument NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) de l’observatoire pour mesurer des redshifts spectroscopiques précis. Il a été confirmé qu’un candidat (la galaxie de Maisie) se trouve à redshift 11,4 (lorsque l’univers avait 390 millions d’années), tandis que le deuxième candidat s’est avéré être en réalité à un redshift inférieur de 4,9 (lorsque l’univers avait 1,2 milliard d’années.)
« Même les cas où nous découvrons qu’un candidat à redshift élevé est en réalité une galaxie à redshift inférieur peuvent être très excitants. Ils nous permettent d’en apprendre davantage sur les conditions dans les galaxies et la manière dont ces conditions affectent leur photométrie, pour améliorer nos modèles de spectres de galaxies, et pour contraindre l’évolution des galaxies à travers tous les redshifts.Cependant, ils soulignent également la nécessité d’obtenir des spectres pour confirmer les candidats à redshift élevé.