Dans une confrontation cosmologique de “Sont-ils ou ne sont-ils pas?” le concours est fermement en faveur du premier – 10 contre un, au dernier décompte. La question est d’une importance capitale : les galaxies que le télescope spatial James Webb (JWST) voit dans l’univers primitif sont-elles vraiment aussi étonnamment éloignées que nous le pensons ? Jusqu’à présent, la réponse est un oui retentissant. “La grande majorité de ces galaxies sont en cours de confirmation”, déclare Steven Finkelstein, astronome à l’Université du Texas à Austin. “Cela signifie que tout ce que nous avons vu l’été dernier, que peut-être que l’univers était très compétent pour former des étoiles très tôt, va se maintenir.”
L’été 2022 a vu le JWST déchaîner un torrent de découvertes. Après un lancement en décembre 2021 et plus de six mois de mise en service, JWST s’est complètement allumé en juillet 2022. Presque immédiatement après, sa sensibilité infrarouge sans précédent a révélé les faibles lueurs de galaxies apparemment de l’univers lointain qui n’avait formé que des centaines de des millions d’années après le big bang. Les astronomes s’attendaient à ce que ces résultats marquants apparaissent plus progressivement. « Il y a eu une explosion de données », dit Finkelstein.
Ces premiers résultats sont arrivés si rapidement parce que les chercheurs ont utilisé un raccourci intelligent pour estimer les distances galactiques. Les astronomes déterminent généralement les coordonnées cosmiques en mesurant avec précision le décalage vers le rouge, un étirement de la lumière d’une galaxie vers l’extrémité rouge du spectre électromagnétique à la suite de l’expansion de l’univers. Mais cela nécessite l’acte d’assembler et d’analyser le spectre d’une galaxie, un processus long et subtil connu sous le nom de spectroscopie. Le tuyau d’incendie de découverte de JWST était plutôt alimenté par des techniques basées sur la photométrie plus grossières et plus rapides qui utilisent essentiellement des variations évidentes de la luminosité des galaxies pour estimer leur décalage vers le rouge.
Ainsi, alors que les résultats photométriques sont arrivés en masse l’été dernier, les résultats spectroscopiques ne font que commencer à se répandre. Déjà, cependant, avec des distances basées sur les spectres en main pour seulement une douzaine de candidats, les chercheurs constatent que la plupart des mesures correspondent aux premiers résultats photométriques. Le dernier, publié en Astronomie naturelle la semaine dernière, confirment les estimations de distance antérieures pour quatre autres galaxies identifiées par le JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). “Nous attendons cela depuis des décennies”, déclare Emma Curtis-Lake de l’Université du Hertfordshire en Angleterre, qui a dirigé l’étude des résultats spectroscopiques. “Pouvoir le faire dans les premiers mois de ce télescope était tout simplement incroyable.”
Des quatre, le plus éloigné est celui qui porte le nom quelque peu compliqué JADES-GS-z13-0. Il a une valeur de décalage vers le rouge de 13,2, ce qui signifie que nous voyons la galaxie telle qu’elle est apparue 320 millions d’années seulement après le big bang. Ce décalage vers le rouge élevé fait de JADES-GS-z13-0 le plus éloigné actuellement connu dans l’univers – un record que JWST semble sur le point de battre à nouveau de manière imminente, mais qui montre pourquoi les astronomes sont si ravis. Nous savons maintenant avec certitude que nous sondons une ère de l’univers sur laquelle aucun humain n’a jamais posé les yeux auparavant. « C’est étonnant », déclare Pieter van Dokkum de l’Université de Yale. Cette galaxie, note-t-il de manière évocatrice, n’est que légèrement plus ancienne de notre point de vue que la durée totale d’existence des requins sur Terre – environ 300 millions d’années. “Vous passez de rien à ces galaxies complètement formées en un clin d’œil”, déclare van Dokkum.
Cependant, toutes les galaxies candidates à décalage vers le rouge élevé n’ont pas eu autant de chance, ce qui met en évidence la prudence précoce des astronomes. En juillet, une autre enquête appelée Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS), dirigée par Finkelstein, a repéré une possible galaxie à un décalage vers le rouge de 16,4, juste 240 millions d’années après le big bang. La spectroscopie ultérieure a montré que la déduction était erronée, comme l’a révélé fin mars une recherche menée par Pablo Arrabal Haro, astronome au NOIRLab de la National Science Foundation. La galaxie est en fait un imposteur poussiéreux situé à un décalage vers le rouge de 4,9, un décalage toujours impressionnant mais pas du tout record de 1,2 milliard d’années après le big bang. On pense que des niveaux élevés de formation d’étoiles ont brouillé les premières analyses photométriques. “Nous pouvons facilement être dupés par la contamination”, déclare Callum Donnan de l’Université d’Edimbourg en Ecosse, co-auteur de l’ouvrage. “Une galaxie à décalage vers le rouge élevé peut être imitée par une galaxie à décalage vers le rouge inférieur avec des caractéristiques différentes.”
La bonne nouvelle est que cette galaxie particulière semble être un “cas unique”, déclare Donnan. La même étude a pu confirmer que deux autres galaxies candidates n’avaient pas le même problème. L’une d’entre elles est la galaxie de Maisie, qui est vue à un décalage vers le rouge de 11,4, environ 400 millions d’années après le big bang, et porte le nom de la fille de Finkelstein. “Elle était très excitée quand je lui ai dit que c’était réel”, dit Finkelstein.
Maintenant que de telles galaxies sont confirmées, leurs implications scientifiques peuvent être explorées plus en détail. Ces galaxies sont petites, plusieurs fois plus petites que la Voie lactée. Mais certains semblent extrêmement brillants et massifs et ont des taux de formation d’étoiles élevés similaires à ceux de notre galaxie, qui forme environ une nouvelle étoile chaque année. Bien que les galaxies ne posent pas encore de problèmes aux principaux modèles de cosmologie, elles suggèrent que la formation galactique a commencé plus tôt et s’est déroulée plus rapidement que prévu dans l’univers, ce que les théoriciens avaient précédemment prédit. claquer.
“Nous assistons à une montée de galaxies massives plus rapidement que nous ne le pensions auparavant”, déclare Fabio Pacucci du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. L’âge de certaines de ces premières galaxies est estimé à quelques dizaines de millions d’années. Cela pourrait avoir des implications pour les grandes structures de matière noire connues sous le nom de halos qui ont sculpté les premières galaxies et pour la nature des particules de matière noire elles-mêmes. “L’une des grandes questions ouvertes est : est matière noire?” dit Sandro Tacchella de l’Université de Cambridge. “La première génération de galaxies est une sonde sensible pour différents modèles de matière noire.”
Certaines galaxies candidates à l’univers précoce problématiques – et potentiellement destructrices de modèles – subsistent encore. La première d’entre elles pourrait être une classe de galaxies identifiée par Ivo Labbé de l’Université de technologie de Swinburne en Australie et ses collègues. L’équipe a trouvé des galaxies avec des milliards de masses solaires, comparables en poids à la Voie lactée, à partir d’environ 750 millions d’années après le big bang. Ces galaxies sont 10 à 100 fois plus grandes que les galaxies précédemment observées à cette époque et sont entassées dans des structures 30 fois plus petites que la Voie lactée. “Elles sont petites, mais elles sont massives”, explique Labbé, qui dit que JWST continue de trouver des galaxies similaires essentiellement partout où elles regardent profondément dans le ciel. Pour l’instant, les galaxies n’ont été étudiées que par photométrie, une analyse spectroscopique étant prévue pour juillet. Mais le succès photométrique d’autres résultats du JWST jusqu’à présent suggère que l’analyse préliminaire de Labbé et de ses collègues est correcte. “Les galaxies les plus extrêmes là-bas semblent toujours poser un problème”, déclare Michael Boylan-Kolchin de l’Université du Texas à Austin, qui n’a pas participé aux observations du JWST discutées dans cet article. “Certains de ces systèmes devraient former des étoiles 1 000 fois plus vite que la Voie lactée. La question est : est-ce une quantité incroyablement élevée de formation d’étoiles ? »
Le domaine continue de changer rapidement. Une enquête en cours appelée COSMOS-Webb devrait fournir de nombreux autres candidats à décalage vers le rouge élevé. “Nos estimations dans la proposition étaient [to find galaxies] jusqu’à un décalage vers le rouge d’environ 10 », explique Jeyhan Kartaltepe du Rochester Institute of Technology, qui dirige le programme. “Mais ces chiffres auraient peut-être été trop pessimistes.” De nombreux autres astronomes ont soumis des demandes de temps libre supplémentaire sur le télescope au Space Telescope Science Institute du Maryland, qui gère l’observatoire. D’autres encore ont soumis des propositions pour la deuxième année d’observations scientifiques programmées du télescope, appelée Cycle 2, qui commence en juillet.
Certains craignent que le terrain évolue trop vite. Alors que de nombreuses données de JWST, environ 80%, ont une fenêtre exclusive de 12 mois au cours de laquelle les chercheurs responsables ont un accès exclusif à leurs propres observations, le reste est en libre accès. Cela signifie que lorsque des observations sont prises, elles sont immédiatement accessibles au public, et n’importe qui peut les utiliser. Avant qu’Arrabal Haro et ses collègues ne publient leur analyse de la galaxie redshift 16.4 sur le serveur de préimpression arXiv.org fin mars, leurs travaux en libre accès avaient déjà été récupérés par des astronomes sur Twitter. “Je voulais juste faire un test extrêmement simple”, explique Gabriel Brammer de l’Université de Copenhague, qui a posté certains des premiers résultats. « L’équipe a fait une analyse beaucoup plus détaillée. Mais vous pouvez le voir instantanément si vous savez où chercher.
Tout le monde n’est pas satisfait d’un accès aussi facile. “Vous avez des post-doctorants qui ont passé des années de leur vie à travailler là-dessus et à rendre ces observations possibles”, déclare Rebecca Larson de l’UT Austin, co-auteur de l’article d’Arrabal Haro et membre de l’équipe CEERS. «Ensuite, nos données sortent, et elles sont publiques, et les gens nous font la course pour obtenir les résultats. Nous y travaillons et on nous demande également de fournir d’autres contributions à la communauté. Ensuite, d’autres personnes entreront et afficheront des papiers. C’est vraiment frustrant de voir ce qui se passe. On ne sait pas comment résoudre les tensions pour le moment. “Ce serait mieux s’il y avait des règles plus concrètes”, déclare Tom Bakx de l’Université de Nagoya au Japon, qui n’a pas participé à la recherche. « Imaginez si vous avez de jeunes enfants, il n’est tout simplement pas possible de passer la nuit entière à calibrer les données. Il y a un petit déséquilibre de pouvoir. C’est une compétition très ouverte.
Plus positivement, la situation semble s’être quelque peu refroidie depuis les premières semaines frénétiques de fonctionnement de JWST. Aujourd’hui, les astronomes font ce dont ils rêvaient depuis longtemps : obtenir leurs premiers aperçus certains d’une époque de l’univers jamais étudiée auparavant. Qui sait combien de temps nous verrons. “Peut-être que la formation des galaxies a déjà commencé à un décalage vers le rouge de 20”, dit van Dokkum, se référant à une époque à peine 180 millions d’années après le big bang, une époque à peine insondable avant JWST. Si le télescope nous montre quelque chose, c’est qu’il faut s’attendre à l’inattendu.
Note de l’éditeur (14/04/23) : Cet article a été édité après avoir été publié pour corriger le nom de famille de Pablo Arrabal Haro et la comparaison avec la durée totale d’existence des requins sur Terre.
