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May 26, 2023

Le télescope spatial Webb montre un univers primitif craquelé d'éclats de formation d'étoiles

Par Space Telescope Science Institute6 juin 2023 L'espace James Webb

Par Space Telescope Science Institute6 juin 2023

Le programme JADES du télescope spatial James Webb fournit des informations sans précédent sur l'univers primitif, découvrant des centaines d'anciennes galaxies et dévoilant des schémas complexes de formation d'étoiles. L'étude indique que les étoiles jeunes et chaudes des premières galaxies sont potentiellement à l'origine de la transition de l'univers d'opaque à transparent pendant l'époque de la réionisation. De plus, en analysant le décalage vers le rouge, JADES a découvert près d'un millier de galaxies extrêmement éloignées, défiant les prédictions précédentes et révélant la complexité de l'univers primitif.

With its large, light-gathering mirror and infrared sensitivity, NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">NASA's James Webb Space TelescopeThe James Webb Space Telescope (JWST or Webb) is an orbiting infrared observatory that will complement and extend the discoveries of the Hubble Space Telescope. It covers longer wavelengths of light, with greatly improved sensitivity, allowing it to see inside dust clouds where stars and planetary systems are forming today as well as looking further back in time to observe the first galaxies that formed in the early universe." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Le télescope spatial James Webb (JWST) est particulièrement adapté pour étudier les galaxies qui existaient dans l'univers primitif, quelques centaines de millions d'années seulement après le big bang. Un peu plus d'un mois entier du temps d'observation de Webb est consacré au JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, ou JADES. JADES scrutera profondément l'univers pour étudier certaines des galaxies les plus faibles et les plus lointaines. Parmi les premières découvertes du programme : des centaines de galaxies qui existaient lorsque l'univers avait moins de 600 millions d'années, et des galaxies qui ont subi des explosions répétées de formation d'étoiles.

Cette image infrarouge du télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA a été prise pour le programme JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, ou JADES. Il montre une partie d'une zone du ciel connue sous le nom de GOODS-South, qui a été bien étudiée par le télescope spatial Hubble et d'autres observatoires. Plus de 45 000 galaxies sont visibles ici. Crédit : NASA, ESA, CSA, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Marcia Rieke (Université de l'Arizona), Daniel Eisenstein (CfA), Alyssa Pagan (STScI)

L'une des questions les plus fondamentales en astronomie est : Comment les premières étoiles et galaxies se sont-elles formées ? Le télescope spatial James Webb de la NASA fournit déjà de nouvelles informations sur cette question. L'un des plus grands programmes de la première année scientifique de Webb est le JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, ou JADES, qui consacrera environ 32 jours de temps de télescope pour découvrir et caractériser des galaxies lointaines et faibles. Alors que les données continuent d'arriver, JADES a déjà découvert des centaines de galaxies qui existaient lorsque l'univers avait moins de 600 millions d'années. L'équipe a également identifié des galaxies étincelantes d'une multitude d'étoiles jeunes et chaudes.

"Avec JADES, nous voulons répondre à de nombreuses questions, telles que : comment les premières galaxies se sont-elles assemblées ? À quelle vitesse ont-elles formé des étoiles ? Pourquoi certaines galaxies arrêtent-elles de former des étoiles ? » a déclaré Marcia Rieke de l'Université de l'Arizona à Tucson, co-responsable du programme JADES.

Ryan Endsley de l'Université du Texas à Austin a mené une enquête sur les galaxies qui existaient 500 à 850 millions d'années après le big bang. Ce fut une période cruciale connue sous le nom d'époque de la réionisation. Pendant des centaines de millions d'années après le big bang, l'univers était rempli d'un brouillard gazeux qui le rendait opaque à la lumière énergétique. Un milliard d'années après le big bang, le brouillard s'est dissipé et l'univers est devenu transparent, un processus connu sous le nom de réionisation. Les scientifiques se sont demandé si les trous noirs supermassifs actifs ou les galaxies pleines d'étoiles jeunes et chaudes étaient la principale cause de la réionisation.

Dans le cadre du programme JADES, Endsley et ses collègues ont étudié ces galaxies pour rechercher des signatures de formation d'étoiles – et les ont trouvées en abondance. "Presque toutes les galaxies que nous trouvons montrent ces signatures de lignes d'émission inhabituellement fortes indiquant une formation d'étoiles récente intense. Ces premières galaxies étaient très douées pour créer des étoiles chaudes et massives", a déclaré Endsley.

Cette image du champ GOODS-South, capturée par la NIRCam (Near-Infrared Camera) de Webb, montre les flèches de la boussole, la barre d'échelle et la clé de couleur pour référence. Les flèches de la boussole nord et est indiquent l'orientation de l'image sur le ciel. Notez que la relation entre le nord et l'est sur le ciel (vue d'en bas) est inversée par rapport aux flèches de direction sur une carte du sol (vue d'en haut). La barre d'échelle est étiquetée 50 secondes d'arc.Crédit : NASA, ESA, CSA, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Marcia Rieke (Université d'Arizona), Daniel Eisenstein (CfA), Alyssa Pagan (STScI)

Ces étoiles brillantes et massives ont pompé des torrents de lumière ultraviolette, qui ont transformé le gaz environnant d'opaque en transparent en ionisant les atomes, en éliminant les électrons de leurs noyaux. Étant donné que ces premières galaxies avaient une si grande population d'étoiles chaudes et massives, elles ont peut-être été le principal moteur du processus de réionisation. La réunion ultérieure des électrons et des noyaux produit les raies d'émission distinctement fortes.

Endsley et ses collègues ont également trouvé des preuves que ces jeunes galaxies ont subi des périodes de formation rapide d'étoiles entrecoupées de périodes calmes où moins d'étoiles se sont formées. Ces à-coups peuvent avoir eu lieu lorsque les galaxies ont capturé des amas de matières premières gazeuses nécessaires à la formation des étoiles. Alternativement, comme les étoiles massives explosent rapidement, elles peuvent avoir périodiquement injecté de l'énergie dans le milieu environnant, empêchant le gaz de se condenser pour former de nouvelles étoiles.

Un autre élément du programme JADES implique la recherche des premières galaxies qui existaient lorsque l'univers avait moins de 400 millions d'années. En étudiant ces galaxies, les astronomes peuvent explorer en quoi la formation des étoiles dans les premières années après le big bang était différente de ce que l'on voit à l'époque actuelle. La lumière des galaxies lointaines est étirée vers des longueurs d'onde plus longues et des couleurs plus rouges par l'expansion de l'univers - un phénomène appelé décalage vers le rouge. En mesurant le décalage vers le rouge d'une galaxie, les astronomes peuvent savoir à quelle distance elle se trouve et, par conséquent, quand elle existait dans l'univers primitif. Avant Webb, il n'y avait que quelques dizaines de galaxies observées au-dessus d'un décalage vers le rouge de 8, lorsque l'univers avait moins de 650 millions d'années, mais JADES a maintenant découvert près d'un millier de ces galaxies extrêmement lointaines.

L'étalon-or pour déterminer le décalage vers le rouge consiste à examiner le spectre d'une galaxie, qui mesure sa luminosité à une myriade de longueurs d'onde étroitement espacées. Mais une bonne approximation peut être déterminée en prenant des photos d'une galaxie à l'aide de filtres qui couvrent chacun une bande étroite de couleurs pour obtenir une poignée de mesures de luminosité. De cette façon, les chercheurs peuvent déterminer des estimations pour les distances de plusieurs milliers de galaxies à la fois.

Kevin Hainline de l'Université de l'Arizona à Tucson et ses collègues ont utilisé l'instrument NIRCam (Near-Infrared Camera) de Webb pour obtenir ces mesures, appelées redshifts photométriques, et ont identifié plus de 700 galaxies candidates qui existaient lorsque l'univers se situait entre 370 millions et 650 millions. ans. Le nombre de ces galaxies était bien au-delà des prédictions des observations faites avant le lancement de Webb. La résolution et la sensibilité exquises de l'observatoire permettent aux astronomes d'avoir une meilleure vue de ces galaxies lointaines que jamais auparavant.

"Auparavant, les premières galaxies que nous pouvions voir ressemblaient à de petites taches. Et pourtant, ces taches représentent des millions, voire des milliards d'étoiles au début de l'univers", a déclaré Hainline. "Maintenant, nous pouvons voir que certains d'entre eux sont en fait des objets étendus avec une structure visible. Nous pouvons voir des groupements d'étoiles naître seulement quelques centaines de millions d'années après le début des temps."

"Nous constatons que la formation des étoiles dans l'univers primitif est beaucoup plus compliquée que nous ne le pensions", a ajouté Rieke.

Ces résultats sont rapportés lors de la 242e réunion de l'American Astronomical Society à Albuquerque, au Nouveau-Mexique.

The James Webb Space Telescope is the world's premier space science observatory. Webb will solve mysteries in our solar system, look beyond to distant worlds around other stars, and probe the mysterious structures and origins of our universe and our place in it. Webb is an international program led by NASA with its partners, ESA (European Space AgencyThe European Space Agency (ESA) is an intergovernmental organization dedicated to the exploration and study of space. ESA was established in 1975 and has 22 member states, with its headquarters located in Paris, France. ESA is responsible for the development and coordination of Europe's space activities, including the design, construction, and launch of spacecraft and satellites for scientific research and Earth observation. Some of ESA's flagship missions have included the Rosetta mission to study a comet, the Gaia mission to create a 3D map of the Milky Way, and the ExoMars mission to search for evidence of past or present life on Mars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Agence spatiale européenne) et ASC (Agence spatiale canadienne).