JWST découvre d’énormes galaxies lointaines qui ne devraient pas exister

Personne ne les attendait. Ils n’étaient pas censés être là. Et maintenant, personne ne peut expliquer comment ils se sont formés.

Des galaxies presque aussi massives que la Voie lactée et pleines d’étoiles rouges matures semblent être dispersées dans les images en champ profond obtenues par le télescope spatial James Webb (Webb ou JWST) au cours de sa première campagne d’observation, et elles donnent mal à la tête aux astronomes.

Ces galaxies, décrites dans une nouvelle étude basée sur la première publication de données de Webb, sont si éloignées qu’elles n’apparaissent que sous la forme de minuscules points rougeâtres au puissant télescope. En analysant la lumière émise par ces galaxies, les astronomes ont établi qu’ils les observaient dans l’enfance de notre univers seulement 500 à 700 millions d’années après le Big Bang.

Ces premières galaxies ne sont pas en elles-mêmes surprenantes. Les astronomes s’attendaient à ce que les premiers amas d’étoiles apparaissent peu de temps après que l’univers soit sorti de l’âge dit sombre – les 400 premiers millions d’années de son existence, lorsque seul un épais brouillard d’atomes d’hydrogène imprégnait l’espace.

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Mais les galaxies trouvées dans les images de Webb semblaient incroyablement grandes et les étoiles trop vieilles. Les nouvelles découvertes sont en conflit avec les idées existantes sur l’apparence et l’évolution de l’univers dans ses premières années, et ne correspondent pas aux observations antérieures faites par le prédécesseur moins puissant de Webb, le télescope spatial Hubble.

“Nous avions des attentes spécifiques pour le type de galaxies qui vivent dans l’univers primitif : elles sont jeunes et petites”, a déclaré Joel Leja, professeur adjoint d’astronomie et d’astrophysique à Penn State et l’un des auteurs de l’étude, à Space.com dans un email. “Des études antérieures sur l’univers primitif avec Hubble et d’autres instruments ont tendance à trouver de petites galaxies bébés bleues à des époques précoces : des objets qui se sont récemment formés à partir de la soupe cosmique primordiale et construisent eux-mêmes leurs premières étoiles et structures.”

Les jeunes étoiles brillent en général d’un bleu vif. Avec l’âge, les étoiles développent une lueur plus rouge lorsqu’elles brûlent leur carburant et se refroidissent. Dans les galaxies anciennes que Webb était censé repérer, les astronomes ne s’attendaient pas à voir de vieilles étoiles rouges. Ils ne s’attendaient pas non plus à trouver des galaxies plus massives que peut-être un milliard de soleils. Mais ces points rougeâtres révélés dans les champs profonds de Webb semblent 50 fois plus massifs que cela, a déclaré Leja.

“On estime que les galaxies les plus massives de notre échantillon ont des masses [two to four times lower] que celle de notre propre Voie lactée”, a écrit Leja. “C’était stupéfiant – nous trouvons des galaxies candidates aussi massives que notre propre galaxie lorsque l’univers avait 3% de son âge actuel.”

Leja a déclaré qu’avant que les astronomes ne commencent à réécrire les théories de la cosmologie pour expliquer comment ces galaxies se sont réunies si rapidement après le Big Bang, ils devront s’assurer que les points rouges étranges qu’ils regardent ne sont pas autre chose. Cependant, la plupart des explications alternatives nécessitent également des concepts entièrement nouveaux, a déclaré Leja.

“Par exemple, les étoiles de l’univers primitif peuvent émettre de la lumière de manière exotique en raison de leur manque d’éléments lourds, et peut-être que nous n’incorporons pas ceux-ci dans nos modèles”, a écrit Leja. “Ou alternativement, peut-être que notre compréhension de la façon dont les étoiles se forment localement, par exemple combien d’étoiles se forment à partir du gaz en fonction de la masse des étoiles, est totalement inapplicable dans l’univers primitif. Ces choses seraient également passionnantes à découvrir et renverseraient également notre compréhension de la formation des étoiles dans l’univers primitif – juste d’une manière très différente.”

Les images qui ont révélé ces galaxies déroutantes ont été obtenues par la caméra infrarouge proche de Webb (NIRCam) dans le cadre du programme Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS). Les astronomes prévoient de retourner prochainement le miroir de Webb vers ces galaxies pour, cette fois, obtenir des spectres lumineux de ces points distants. Les spectres décomposent la lumière observée selon sa composition en longueur d’onde et révèlent ainsi les propriétés chimiques et physiques de sa source.

“La chose la plus importante est que les spectres donnent des distances très précises à ces objets”, a déclaré Leja. “La “distance” et “l’identité” de ces objets sont corrélées : si nous connaissons la distance, nous pouvons identifier l’identité, et vice versa. Ainsi, un spectre nous dira assez immédiatement si nos hypothèses sont correctes.”

Un peu plus de six mois seulement après que l’équipe Webb a publié les premières observations du grand observatoire, les scientifiques sont déjà mis au défi de réécrire leurs théories sur l’univers primitif.

“Nous avons examiné le tout premier univers pour la première fois et nous n’avions aucune idée de ce que nous allions trouver”, a déclaré Leja dans un communiqué de l’Université Penn.

“Il s’avère que nous avons trouvé quelque chose de si inattendu qu’il crée en fait des problèmes pour la science. Cela remet en question toute l’image de la formation des premières galaxies.”

L’étude a été publiée dans la revue Nature mercredi (22 février).

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