Le Télescope spatial James Webb (JWST) est le télescope spatial le plus grand et le plus puissant construit à ce jour. Depuis son lancement en décembre 2021, il a fourni des informations révolutionnaires. Il s’agit notamment de découvrir le galaxies connues les plus anciennes et les plus éloignéesqui existait seulement 300 millions d’années après Big Bang.
Les objets éloignés sont également très anciens car la lumière de ces objets met beaucoup de temps à atteindre les télescopes. JWST a maintenant découvert un certain nombre de ces toutes premières galaxies. Nous regardons effectivement ces objets dans le temps, les voyant tels qu’ils étaient peu de temps après la naissance de l’univers.
Ces observations de JWST concordent avec notre compréhension actuelle de cosmologie — la discipline scientifique qui vise à expliquer l’univers — et la formation des galaxies. Mais ils révèlent aussi des aspects auxquels nous ne nous attendions pas. Beaucoup de ces premières galaxies briller beaucoup plus fort que ce à quoi on pourrait s’attendre étant donné qu’ils ont existé peu de temps après le Big Bang.
On pense que les galaxies les plus brillantes ont plus d’étoiles et plus de masse. On pensait qu’il faudrait beaucoup plus de temps pour atteindre ce niveau de formation d’étoiles. Ces galaxies ont également des trous noirs en croissance active en leur centre – signe que ces objets ont mûri rapidement après le Big Bang. Alors, comment expliquer ces résultats surprenants ? Romprent-ils nos idées sur la cosmologie ou nécessitent-ils un changement dans l’âge de l’univers ?
Les scientifiques ont pu étudier ces premières galaxies en combinant les images détaillées de JWST avec ses puissantes capacités de spectroscopie. La spectroscopie est une méthode d’interprétation de rayonnement électromagnétique qui est émis ou absorbé par les objets dans l’espace. Cela peut à son tour vous renseigner sur les propriétés d’un objet.
Notre compréhension de la cosmologie et de la formation des galaxies repose sur quelques idées fondamentales. L’un d’eux est le principe cosmologique, selon lequel, à grande échelle, l’univers est homogène (le même partout) et isotrope (le même dans toutes les directions). Combiné avec celui d’Einstein théorie de la relativité généralece principe nous permet de relier l’évolution de l’univers – comment il se dilate ou se contracte – à son contenu énergétique et massique.
Le modèle cosmologique standard, connu sous le nom de théorie du « Hot Big Bang », comprend trois composants ou ingrédients principaux. L’une est la matière ordinaire que nous pouvons voir avec nos yeux dans les galaxies, les étoiles et les planètes. Un deuxième ingrédient est la matière noire froide (MDP), des particules de matière qui se déplacent lentement et qui n’émettent, n’absorbent ou ne réfléchissent pas la lumière.
Le troisième composant est ce qu’on appelle la constante cosmologique (Λ, ou lambda). Ceci est lié à ce qu’on appelle l’énergie noire et c’est une manière d’expliquer le fait que le l’expansion de l’univers s’accélère. Ensemble, ces composants forment ce qu’on appelle le Modèle ΛCDM de la cosmologie.
Énergie sombre représente environ 68 % du contenu énergétique total de l’univers actuel.
Bien qu’elle ne soit pas directement observable avec des instruments scientifiques, la matière noire constitue la majeure partie de la matière du cosmos et représente environ 27 % de la masse totale et du contenu énergétique de l’univers.
Alors que la matière noire et l’énergie noire restent mystérieuses, le modèle cosmologique ΛCDM s’appuie sur un large éventail d’observations détaillées. Il s’agit notamment de la mesure de l’expansion de l’univers, de la fond cosmique de micro-ondes, ou CMB (la « rémanence » du Big Bang) et le développement des galaxies et leur distribution à grande échelle – par exemple, la façon dont les galaxies se regroupent.
Le modèle ΛCDM jette les bases de notre compréhension de la formation et de l’évolution des galaxies. Par exemple, le CMB, qui a été émis environ 380 000 ans après le Big Bang, fournit un instantané des premières fluctuations de densité survenues au début de l’Univers. Ces fluctuations, en particulier dans la matière noire, ont fini par donner naissance aux structures que nous observons aujourd’hui, comme les galaxies et les étoiles.
Comment se forment les étoiles
La formation des galaxies consiste en des processus complexes influencés par de nombreux phénomènes physiques différents. Certains de ces mécanismes ne sont pas entièrement compris, comme les processus qui régissent la façon dont le gaz dans les galaxies se refroidit et se condense pour former des étoiles.
Les effets des supernovae, des vents stellaires et des trous noirs qui émettent des quantités importantes d’énergie (parfois appelées noyaux galactiques actifs, ou AGN) peuvent tous chauffer ou expulser du gaz des galaxies. Cela peut à son tour stimuler ou réduire la formation d’étoiles et donc influencer la croissance des galaxies.
L’efficacité et l’ampleur de ces « processus de rétroaction », ainsi que leur impact cumulatif au fil du temps, sont mal compris. Ils constituent une source importante d’incertitude dans les modèles mathématiques, ou simulations, de la formation des galaxies.
Des progrès significatifs dans les simulations numériques complexes de la formation des galaxies ont été réalisés au cours des dix dernières années. Des informations et des indices peuvent encore être obtenus à partir de simulations et de modèles plus simples reliant la formation des étoiles à l’évolution des halos de matière noire. Ces halos sont des structures massives et invisibles constituées de matière noire qui ancrent efficacement les galaxies en leur sein.
L’un des modèles les plus simples de formation des galaxies suppose que la vitesse à laquelle les étoiles se forment dans une galaxie est directement liée au gaz circulant dans ces galaxies. Ce modèle propose également que le taux de formation d’étoiles dans une galaxie est proportionnel à la vitesse à laquelle les halos de matière noire se développent. Cela suppose une efficacité fixe pour convertir le gaz en étoiles, quel que soit le temps cosmique.
Ce modèle « à efficacité constante de formation d’étoiles » est cohérent avec l’augmentation spectaculaire de la formation d’étoiles au cours du premier milliard d’années après le Big Bang. La croissance rapide des halos de matière noire au cours de cette période aurait fourni les conditions nécessaires pour que les galaxies puissent former efficacement des étoiles. Malgré sa simplicité, ce modèle a permis de prédire avec succès un large éventail d’observations réelles, notamment le taux global de formation d’étoiles au cours du temps cosmique.
Secrets des premières galaxies
JWST a inauguré une nouvelle ère de découverte. Grâce à ses instruments avancés, le télescope spatial peut capturer à la fois des images détaillées et des spectres haute résolution – des graphiques montrant l’intensité du rayonnement électromagnétique émis ou absorbé par les objets dans le ciel. Pour JWST, ces spectres se situent dans la région proche infrarouge du spectre électromagnétique. L’étude de cette région est cruciale pour observer les premières galaxies dont la lumière optique s’est transformée en proche infrarouge (ou « redshift ») à mesure que l’univers s’est élargi.
Redshift décrit comment les longueurs d’onde de la lumière des galaxies s’étirent au fur et à mesure de leur voyage. Plus une galaxie est éloignée, plus son redshift est important.
Au cours des deux dernières années, JWST a identifié et caractérisé des galaxies présentant des décalages vers le rouge avec des valeurs comprises entre dix et 15. Ces galaxies galaxiesqui se sont formées environ 200 à 500 millions d’années après le Big Bang, sont relativement petites pour des galaxies (environ 100 parsecs, soit 3 quadrillions de kilomètres de diamètre). Ils sont chacun constitués d’environ 100 millions d’étoiles et forment de nouvelles étoiles au rythme d’environ une étoile semblable au soleil par an.
Bien que cela ne semble pas très impressionnant, cela implique que ces systèmes doublent leur contenu en étoiles en seulement 100 millions d’années. À titre de comparaison, notre propre galaxie, la Voie lactée, met environ 25 milliards d’années pour doubler sa masse stellaire.
Formation précoce des galaxies
Les découvertes surprenantes du JWST concernant des galaxies brillantes à des redshifts ou à des distances élevées pourraient impliquer que ces galaxies ont mûri plus rapidement que prévu après le Big Bang. Ceci est important car cela remettrait en question les modèles existants de formation de galaxies. Le modèle d’efficacité constante de formation d’étoiles décrit ci-dessus, bien qu’efficace pour expliquer une grande partie de ce que nous observons, a du mal à expliquer le grand nombre de galaxies brillantes et lointaines observées avec un redshift supérieur à dix.
Pour résoudre ce problème, les scientifiques explorent diverses possibilités. Il s’agit notamment de changements dans leurs théories sur l’efficacité avec laquelle le gaz est converti en étoiles au fil du temps. Ils reconsidèrent également l’importance relative des processus de rétroaction, c’est-à-dire la manière dont des phénomènes tels que les supernovae et les trous noirs contribuent également à réguler la formation des étoiles.
Certaines théories suggèrent que la formation d’étoiles dans l’univers primitif aurait pu être plus intense ou « éclatée » qu’on ne le pensait auparavant, ce qui aurait conduit à l’apparition d’étoiles. croissance rapide de ces premières galaxies et leur luminosité apparente.
D’autres proposent que différents facteurs, tels qu’une moindre quantité de poussière galactique, une répartition des masses d’étoiles plus importante au sommet ou des contributions de phénomènes tels que les trous noirs actifs, pourraient être responsables de la luminosité inattendue de ces premières galaxies.
Ces explications invoquent des changements dans la physique de la formation des galaxies afin d’expliquer les découvertes du JWST. Mais les scientifiques envisagent également de modifier les grandes théories cosmologiques. Par exemple, l’abondance des premières galaxies brillantes pourrait s’expliquer en partie par une modification de ce qu’on appelle le spectre de puissance de la matière. C’est une façon de décrire les différences de densité dans l’univers.
Un mécanisme possible pour réaliser ce changement dans le spectre de puissance de la matière est un phénomène théorique appelé « l’énergie sombre précoce ». C’est l’idée selon laquelle une nouvelle source d’énergie cosmologique présentant des similitudes avec l’énergie noire aurait pu exister dans les premiers temps, avec un redshift de 3 000. C’était avant l’émission du CMB et seulement 380 000 ans après le Big Bang.
Cette première énergie sombre se serait rapidement désintégrée après l’étape de l’évolution de l’univers connue sous le nom de recombinaison. Curieusement, l’énergie sombre précoce pourrait également atténuer la tension de Hubble — un écart entre différentes estimations du l’âge de l’univers.
Un article publié en 2023 a suggéré que les découvertes galactiques du JWST obligeaient les scientifiques à allonger l’âge de l’univers de plusieurs milliards d’années.
Cependant, d’autres phénomènes pourraient expliquer la luminosité des galaxies. Avant que les observations de JWST ne soient utilisées pour invoquer des changements dans les idées générales de la cosmologie, une compréhension plus détaillée des processus physiques dans les galaxies est essentielle.
Le détenteur actuel du record de la galaxie la plus éloignée – identifié par JWST – est appelé JADES-GS-z14-0. Les données recueillies jusqu’à présent indiquent que ces galaxies possèdent une grande diversité de propriétés différentes.
Visualisation 3D des galaxies observées par le JWST, dont JADES-GS-z14-0.
Certaines galaxies montrent des signes d’hébergement de trous noirs qui émettent de l’énergie, tandis que d’autres semblent héberger de jeunes populations d’étoiles sans poussière. Parce que ces galaxies sont faibles et que leur observation coûte cher (cela prend des temps d’exposition de plusieurs heures), seules 20 galaxies pour lesquelles le redshift est supérieur à dix ont été observées par spectroscopie à ce jour, et il faudra des années pour constituer un échantillon statistique.
Un angle d’attaque différent pourrait être celui des observations de galaxies à des époques cosmiques ultérieures, lorsque l’univers avait entre 1 et 2 milliards d’années (décalages vers le rouge compris entre trois et neuf). Les capacités du JWST permettent aux chercheurs d’accéder à des indicateurs cruciaux sur les étoiles et les gaz présents dans ces objets, qui peuvent être utilisés pour contraindre l’histoire globale de la formation des galaxies.
Briser l’univers ?
Au cours de la première année d’activité du JWST, il a été affirmé que certaines des premières galaxies avaient des masses stellaires extrêmement élevées (la masse des étoiles qu’elles contenaient) et qu’un changement de cosmologie était nécessaire pour s’adapter aux galaxies brillantes qui existaient dans le tout premier univers. Ils ont même été surnommés galaxies « briseuses d’univers ».
Peu de temps après, il est devenu clair que ces galaxies ne brisent pas l’univers, mais leurs propriétés peuvent s’expliquer par toute une série de phénomènes différents. De meilleures données d’observation ont montré que les distances de certains objets étaient surestimées (ce qui a conduit à une surestimation de leurs masses stellaires).
L’émission de lumière de ces galaxies peut être alimentée par des sources autres que les étoiles, comme les trous noirs en accrétion. Les hypothèses contenues dans les modèles ou les simulations peuvent également conduire à des biais sur la masse totale des étoiles dans ces galaxies.
Alors que JWST poursuit sa mission, il aidera les scientifiques à affiner leurs modèles et à répondre à certaines des questions les plus fondamentales sur nos origines cosmiques. Cela devrait révéler encore plus de secrets sur les premiers jours de l’univers, y compris l’énigme de ces galaxies brillantes et lointaines.
Cet article édité est republié à partir de La conversation sous licence Creative Commons. Lire le article original.
