Lorsque le télescope spatial James Webb a été lancé fin 2021, nous nous attendions à des images époustouflantes et à des résultats scientifiques éclairants. Jusqu’à présent, le puissant télescope spatial a répondu à nos attentes. Le JWST nous a montré des choses sur l’univers primitif que nous n’avions jamais imaginées.
Certains de ces résultats obligent à réécrire les manuels d’astronomie.
Les manuels sont régulièrement mis à jour à mesure que de nouvelles preuves progressent dans le processus scientifique. Mais il est rare que de nouvelles preuves arrivent à la vitesse à laquelle le JWST les fournit. Les chapitres sur l' univers primitif ont besoin d'une mise à jour importante.
Lors du récent atelier révolutionnaire de l'Institut international des sciences spatiales (ISSI) organisé en 2024 à Berne, en Suisse, un groupe de scientifiques a résumé certains des résultats obtenus jusqu'à présent par le télescope. Leur travail est détaillé dans un nouvel article publié sur le serveur de préimpression arXiv intitulé « Le premier milliard d'années, selon JWST ».
La liste des auteurs est longue, et ces auteurs s’empressent de souligner qu’un groupe encore plus important de scientifiques internationaux a joué un rôle. Il faut une communauté scientifique internationale pour utiliser les observations du JWST et faire progresser la « compréhension collective de l’évolution de l’univers primitif », comme l’écrivent les auteurs.
L'univers primitif est l'une des principales cibles scientifiques du JWST. Ses capacités infrarouges lui permettent de voir la lumière des anciennes galaxies avec une plus grande acuité que tout autre télescope. Le télescope a été conçu pour répondre directement à des questions déroutantes sur l’univers à fort redshift.
Les trois grandes questions suivantes sont des questions fondamentales en cosmologie auxquelles le JWST se penche.
Quelles sont les propriétés physiques des premières galaxies ?
L’univers primitif et ses transformations sont fondamentaux pour notre compréhension de l’univers qui nous entoure aujourd’hui. Les galaxies en étaient à leurs balbutiements, les étoiles se formaient et les trous noirs se formaient et devenaient plus massifs.
Le télescope spatial Hubble s'est limité à des observations à environ z=11. Le JWST a repoussé cette frontière. Ses observations actuelles à redshift élevé ont atteint z=14,32. Les astronomes pensent que le JWST finira par observer des galaxies à z=20.
Les premières centaines de millions d’années après le Big Bang sont appelées l’aube cosmique. JWST nous a montré que les anciennes galaxies au cours de l’aube cosmique étaient beaucoup plus lumineuses et donc plus grandes que prévu. La galaxie découverte par le télescope à z=14,32, appelée JADES-GS-z14-0, possède plusieurs centaines de millions de masses solaires.
"Cela soulève la question suivante : comment la nature peut-elle créer une galaxie aussi brillante, aussi massive et aussi grande en moins de 300 millions d'années ?" » ont déclaré les scientifiques impliqués dans le JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) dans un article de la NASA.
Cela nous a également montré qu’ils avaient des formes différentes, qu’ils contenaient plus de poussière que prévu et que de l’oxygène était présent. La présence d'oxygène indique que des générations d'étoiles ont déjà vécu et sont mortes. "La présence d'oxygène si tôt dans la vie de cette galaxie est une surprise et suggère que plusieurs générations d'étoiles très massives avaient déjà vécu leur vie avant que nous observions la galaxie", ont écrit les chercheurs dans leur article.
"Toutes ces observations, ensemble, nous indiquent que JADES-GS-z14-0 ne ressemble pas aux types de galaxies dont l'existence a été prédite par les modèles théoriques et les simulations informatiques dans le tout premier univers", ont-ils poursuivi.
Quelle est la nature des noyaux galactiques actifs dans les premières galaxies ?
Les noyaux galactiques actifs (AGN) sont des trous noirs supermassifs (SMBH) qui accumulent activement de la matière et émettent des jets et des vents.
Les quasars sont un sous-type d'AGN extrêmement lumineux et distants, et les observations de quasars montrent que les SMBH étaient présents au centre des galaxies dès 700 millions d'années après le Big Bang. Mais leurs origines restaient un mystère.
Les astrophysiciens pensent que ces premiers SMBH ont été créés à partir de « graines » de trous noirs qui étaient soit « légères », soit « lourdes ». Les graines légères avaient environ 10 à 100 masses solaires et étaient des restes stellaires. Les graines lourdes avaient 10 à 10 5 masses solaires et provenaient de l'effondrement direct de nuages de gaz.
La capacité du JWST à remonter le temps lui a permis de repérer un ancien trou noir à environ z=10,3 qui contient entre 10 7 et 10 8 masses solaires . Le télescope spatial Hubble n’a pas permis aux astronomes de mesurer la masse stellaire de galaxies entières comme le fait le JWST.
Grâce à la puissance du JWST, les astronomes savent que le trou noir à z=10,3 a à peu près la même masse que la masse stellaire de toute sa galaxie. Cela contraste fortement avec les galaxies modernes, où la masse du trou noir ne représente qu’environ 0,1 % de la masse totale de l’étoile.
Un trou noir aussi massif, existant seulement environ 500 millions d'années après le Big Bang, est la preuve que les premiers trous noirs provenaient de graines lourdes. Ceci est en fait conforme aux prédictions théoriques. Les auteurs des manuels sont donc désormais en mesure de lever cette incertitude.
Quand et comment l’univers primitif a-t-il été ionisé ?
Nous savons que dans l’univers primitif, l’hydrogène s’est ionisé au cours de l’époque de réionisation (EoR). La lumière des premières étoiles , des trous noirs en accumulation et des galaxies a réchauffé et réionisé l'hydrogène gazeux dans le milieu intergalactique (IGM), éliminant ainsi le brouillard primordial, dense et chaud qui imprégnait l'univers primitif.
Les jeunes étoiles constituaient la principale source de lumière pour la réionisation. Ils ont créé des bulles d’hydrogène ionisé en expansion qui se chevauchaient. Finalement, les bulles se sont dilatées jusqu'à ce que l'univers entier soit ionisé.
Ce fut une phase critique dans le développement de l’univers. Cela a permis aux futures galaxies, notamment aux galaxies naines, de refroidir leur gaz et de former des étoiles. Mais les scientifiques ne savent pas exactement comment les trous noirs, les étoiles et les galaxies ont contribué à la réionisation ni la période exacte pendant laquelle elle a eu lieu.
"Nous savons que la réionisation de l'hydrogène s'est produite, mais exactement quand et comment elle s'est produite constitue une pièce manquante majeure dans notre compréhension du premier milliard d'années", écrivent les auteurs du nouvel article.
Les astronomes savaient que la réionisation avait pris fin environ 1 milliard d'années après le Big Bang, à environ redshift z=5-6. Mais avant le JWST, il était difficile de mesurer les propriétés de la lumière UV à l’origine de ce phénomène. Grâce aux capacités spectroscopiques avancées du JWST, les astronomes ont affiné les paramètres de réionisation.
"Nous avons trouvé des galaxies confirmées spectroscopiquement jusqu'à z = 13,2, ce qui implique que la réionisation pourrait avoir commencé quelques centaines de millions d'années seulement après le Big Bang", écrivent les auteurs.
Les résultats du JWST montrent également que l’accrétion des trous noirs et leur AGN ne contribuent probablement pas à plus de 25 % de la lumière UV qui a provoqué la réionisation.
Ces résultats nécessiteront une réécriture des chapitres des manuels sur l’EOR, même si des questions subsistent à ce sujet. "Il y a encore un débat important sur les principales sources de réionisation, en particulier sur la contribution des galaxies faibles", écrivent les auteurs. Même si le JWST est extraordinairement puissant, certains objets lointains et faibles restent hors de sa portée.
Le JWST n’est même pas à mi-chemin de sa mission et a déjà transformé notre compréhension du premier milliard d’années de l’univers. Il a été construit pour répondre aux questions autour de l’époque de la réionisation, des premiers trous noirs et des premières galaxies et étoiles. Il y a certainement beaucoup plus à venir. Qui sait quel sera le montant total de ses contributions ?
Plus d'informations : Angela Adamo et al, The First Billion Years, selon JWST, arXiv (2024). DOI : 10.48550/arxiv.2405.21054
Fourni par Universe Today
