Quelques jours après le début officiel des opérations scientifiques, le télescope spatial NASA/ESA/CSA James Webb a propulsé les astronomes dans un royaume de galaxies primitives, auparavant cachées au-delà de la portée de tous les autres télescopes. Webb dévoile maintenant un univers très riche où les premières galaxies en formation semblent remarquablement différentes des galaxies matures que l’on voit autour de nous aujourd’hui.
Les chercheurs ont découvert deux galaxies exceptionnellement brillantes qui existaient environ 300 et 400 millions d’années après le Big Bang. Leur extrême luminosité laisse perplexe les astronomes. Les jeunes galaxies transforment le gaz en étoiles aussi vite qu’elles le peuvent et elles apparaissent compactées en formes sphériques ou en disque beaucoup plus petites que notre galaxie de la Voie lactée. Le début de la naissance stellaire n’a peut-être eu lieu que 100 millions d’années après le Big Bang, qui s’est produit il y a 13,8 milliards d’années.
« Tout ce que nous voyons est nouveau. Webb nous montre qu’il existe un univers très riche au-delà de ce que nous imaginions », a déclaré Tommaso Treu de l’Université de Californie à Los Angeles, co-chercheur sur l’un des programmes Webb. « Une fois de plus, l’Univers nous a surpris. Ces premières galaxies sont très inhabituelles à bien des égards. »
Les résultats proviennent du programme scientifique GLASS-JWST Early Release de Webb (Grism Lens-Amplified Survey from Space) et de l’enquête Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS). Deux documents de recherche, dirigés par Marco Castellano de l’Institut national d’astrophysique de Rome, en Italie, et Rohan Naidu du Centre d’astrophysique | Harvard & Smithsonian et le Massachusetts Institute of Technology de Cambridge, Massachusetts ont été publiés dans Les lettres du journal astrophysique.
En seulement quatre jours d’analyse, les chercheurs ont trouvé deux galaxies exceptionnellement brillantes dans les images GLASS-JWST. Ces galaxies existaient environ 450 et 350 millions d’années après le Big Bang (avec des décalages vers le rouge d’environ 10,5 et 12,5, respectivement), ce que les futures mesures spectroscopiques avec Webb aideront à confirmer.
« Avec Webb, nous avons été étonnés de trouver la lumière des étoiles la plus éloignée que quiconque ait jamais vue, quelques jours seulement après que Webb a publié ses premières données », a déclaré Rohan Naidu de la galaxie GLASS plus éloignée, appelée GLASS-z12, qui est censée remontent à 350 millions d’années après le big bang. Le précédent détenteur du record est la galaxie GN-z11, qui existait 400 millions d’années après le big bang (redshift 11.1), et identifiée en 2016 par Hubble et Keck Observatory dans des programmes de ciel profond.
« Sur la base de toutes les prédictions, nous avons pensé que nous devions rechercher un volume d’espace beaucoup plus grand pour trouver de telles galaxies », a déclaré Castellano.
« Ces observations vous font exploser la tête. C’est un tout nouveau chapitre de l’astronomie. C’est comme une fouille archéologique, quand tout à coup vous trouvez une ville perdue ou quelque chose que vous ne connaissiez pas. C’est juste stupéfiant », a ajouté Paola Santini, quatrième auteur de Castellano et al. Papier GLASS-JWST.
« Alors que les distances de ces premières sources doivent encore être confirmées par spectroscopie, leurs luminosités extrêmes sont un véritable casse-tête, défiant notre compréhension de la formation des galaxies », a noté Pascal Oesch de l’Université de Genève en Suisse.
Les observations de Webb poussent les astronomes vers un consensus selon lequel un nombre inhabituel de galaxies dans l’Univers primordial étaient beaucoup plus brillantes que prévu. Selon les chercheurs, cela permettra à Webb de trouver plus facilement encore plus de galaxies précoces dans les relevés ultérieurs du ciel profond.
« Nous avons cloué quelque chose d’incroyablement fascinant. Ces galaxies auraient dû commencer à se rassembler peut-être seulement 100 millions d’années après le Big Bang. Personne ne s’attendait à ce que l’âge des ténèbres se termine si tôt », a déclaré Garth Illingworth de l’Université. de Californie à Santa Cruz. « L’univers primitif n’aurait été qu’un centième de son âge actuel. C’est une tranche de temps dans le cosmos en évolution vieux de 13,8 milliards d’années. »
Erica Nelson, membre de l’équipe Naidu/Oesch de l’Université du Colorado, a noté que « notre équipe a été frappée par la capacité de mesurer les formes de ces premières galaxies ; leurs disques calmes et ordonnés remettent en question notre compréhension de la façon dont les premières galaxies se sont formées dans l’espace bondé et chaotique. Univers primitif. » Cette découverte remarquable des disques compacts à une époque aussi ancienne n’a été possible que parce que les images de Webb sont beaucoup plus nettes, en lumière infrarouge, que celles de Hubble.
« Ces galaxies sont très différentes de la Voie lactée ou d’autres grandes galaxies que nous voyons autour de nous aujourd’hui », a déclaré Treu.
Illingworth a souligné que les deux galaxies brillantes découvertes par ces équipes ont beaucoup de lumière. Il a dit qu’une option est qu’ils auraient pu être très massifs, avec beaucoup d’étoiles de faible masse, comme les galaxies ultérieures. Alternativement, ils pourraient être beaucoup moins massifs, constitués de beaucoup moins d’étoiles extraordinairement brillantes, connues sous le nom d’étoiles de la population III.
Longtemps théorisées, elles seraient les premières étoiles jamais nées, flamboyantes à des températures fulgurantes et composées uniquement d’hydrogène et d’hélium primordiaux ; ce n’est que plus tard que les étoiles cuisineraient des éléments plus lourds dans leurs fours à fusion nucléaire. Aucune étoile primordiale extrêmement chaude n’est observée dans l’univers local.
« En effet, la source la plus éloignée est très compacte, et ses couleurs semblent indiquer que sa population stellaire est particulièrement dépourvue d’éléments lourds et pourrait même contenir quelques étoiles de Population III. Seuls les spectres Webb le diront », a déclaré Adriano Fontana, deuxième auteur de le Castellano et al. article et membre de l’équipe GLASS-JWST.
Les estimations actuelles de distance de Webb à ces deux galaxies sont basées sur la mesure de leurs couleurs infrarouges. Finalement, des mesures de spectroscopie de suivi montrant comment la lumière a été étirée dans l’Univers en expansion fourniront une vérification indépendante de ces mesures cosmiques.
Plus d’information:
Marco Castellano et al, Premiers résultats de GLASS-JWST. III. Candidats Galaxy à z ∼9–15*, Les lettres du journal astrophysique (2022). DOI : 10.3847/2041-8213/ac94d0
Guido Roberts-Borsani et al, Premiers résultats de GLASS-JWST. I : Confirmation de Lensed z ≥ 7 Galaxies Lyman-break derrière l’amas Abell 2744 avec NIRISS, Les lettres du journal astrophysique (2022). DOI : 10.3847/2041-8213/ac8e6e