Le télescope Webb révèle une abondance inattendue de galaxies brillantes dans l’univers primordial

Le télescope spatial James Webb ne surveille le ciel que depuis quelques semaines, et il a déjà fait une découverte étonnante : des dizaines, des centaines, voire 1 000 fois plus de galaxies brillantes dans l’univers primitif que ne l’avaient prévu les astronomes.

“Personne ne s’attendait à quelque chose comme ça”, déclare Michael Boylan-Kolchin de l’Université du Texas à Austin. “Les galaxies explosent de nulle part”, déclare Rachel Somerville du Flatiron Institute.

Les modèles de formation de galaxies pourraient maintenant nécessiter une révision, car les modèles actuels soutiennent que les nuages ​​​​de gaz devraient être beaucoup plus lents à fusionner en étoiles et en galaxies que ne le suggèrent les images riches en galaxies de Webb de l’univers primitif, moins de 500 millions d’années après le Big Bang. “C’est en dehors de ce que prédisaient les modèles”, déclare Garth Illingworth de l’Université de Californie (UC) à Santa Cruz.

Webb, un observatoire en orbite géré par la NASA avec des contributions des agences spatiales européenne et canadienne, a commencé à observer fin juin depuis son point de vue à 1,5 million de kilomètres de la Terre. Jusqu’à présent, une grande partie de son temps a été consacrée à des projets visant à mettre en valeur ses capacités, comme le Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS). Webb est conçu pour plonger plus profondément dans l’histoire cosmique que son prédécesseur, le télescope spatial Hubble. Son miroir de 6,5 mètres, avec six fois la surface de Hubble, peut capter plus de lumière provenant de sources distantes, et contrairement à Hubble, il fonctionne dans les longueurs d’onde infrarouges, ce qui rend Webb plus sensible à ces sources distantes dont la lumière est étirée plus longtemps, longueurs d’onde plus rouges par expansion cosmique.

Quelques jours après que Webb ait commencé les observations, il a détecté une galaxie candidate qui semble avoir brillé de mille feux alors que l’univers n’avait que 230 millions d’années, soit 1,7% de son âge actuel, ce qui en ferait la vue la plus éloignée jamais vue. Depuis lors, des études ont montré que l’objet n’est qu’un parmi une profusion impressionnante de galaxies primitives, chacune petite par rapport aux normes actuelles, mais plus lumineuse que les astronomes ne s’y attendaient.

Certains chercheurs avertissent que l’abondance, basée sur des images d’un petit morceau de ciel, peut être une illusion. Boylan-Kolchin se demande si Webb a juste eu “vraiment de la chance” et a regardé un énorme amas de galaxies, plus dense que le reste de l’univers primitif. Cette question sera résolue lorsque le CEERS élargira sa portée plus tard cette année et que les résultats d’autres enquêtes de grande envergure arriveront.

Il est également possible que les astronomes identifient à tort des galaxies d’époques légèrement plus récentes comme des galaxies très anciennes. Les spectres sont l’étalon-or pour mesurer l’âge d’une galaxie car ils mesurent avec précision le rougissement de sa lumière. Mais collecter les spectres de nombreuses galaxies prend du temps. Au lieu de cela, les enquêtes de Webb ont jusqu’à présent estimé l’âge des galaxies à partir de la couleur qu’elles apparaissent sur les images, une méthode relativement grossière. La caméra proche infrarouge de Webb filtre sa lumière dans quelques bacs à large longueur d’onde, donnant aux astronomes une mesure approximative de la couleur ; plus rouge équivaut à plus éloigné. Mais la poussière entourant une galaxie peut tromper les observateurs, car elle peut absorber la lumière des étoiles et la réémettre à des longueurs d’onde plus longues, ce qui rend la galaxie plus rouge.

Les premières équipes scientifiques de Webb ont déjà identifié certaines de ces galaxies masquées, comme elles le rapportent dans plusieurs prépublications récentes. Mais si la profusion de galaxies primitives est réelle, les astronomes devront peut-être repenser fondamentalement la formation des galaxies ou la cosmologie régnante.

En examinant les galaxies proches, les chercheurs ont conclu que la chaleur dans les nuages ​​​​de gaz ralentissait la vitesse à laquelle la gravité condenserait la matière en étoiles, ce qui rendrait la formation des étoiles environ 100 fois plus longue que si la gravité était en charge seule. Lorsque les premières étoiles d’une protogalaxie commencent à briller, elles injectent plus de chaleur dans le gaz, ralentissant la formation de nouvelles étoiles. Et les premières étoiles sont des géantes éphémères ; lorsqu’ils explosent en supernovae, ils chauffent davantage les nuages ​​​​de gaz ou les expulsent entièrement d’une galaxie en formation.

Des études avec Hubble ont montré que le taux de formation d’étoiles est resté relativement constant depuis environ 600 millions d’années après le Big Bang, explique Charlotte Mason de l’Institut Niels Bohr. Mais les résultats de Webb impliquent qu’autrefois leur rythme était beaucoup plus rapide – aussi rapide, suggère Somerville, que si les nuages ​​​​de gaz s’effondraient librement, sans être contrôlés par la chaleur ou les supernovae.

En fait, Tommaso Treu de l’UC Los Angeles, qui dirige une autre enquête Webb appelée GLASS, dit que son équipe voit ces premières galaxies “former des étoiles comme des fous”. Ils ressemblent, ajoute-t-il, “à des boules géantes de formation d’étoiles et rien de plus”.

Les théoriciens ne savent pas si la densité de matière plus élevée et les températures plus élevées dans l’univers primitif auraient pu accélérer la formation d’étoiles. Une autre théorie est que les premières étoiles auraient pu se former plus rapidement car elles se sont formées à partir de matière primordiale laissée par le big bang (hydrogène et hélium) sans les éléments plus lourds forgés par les générations d’étoiles ultérieures.

Ou quelque chose ne va pas avec la compréhension actuelle de la façon dont l’univers évolue. La théorie dominante de la cosmologie, connue sous le nom de lambda-CDM (qui signifie matière noire froide), décrit comment, peu de temps après le Big Bang, la matière noire invisible qui compose la majeure partie de l’univers s’est agglomérée sous sa propre gravité en “halos”. ” Ces halos ont ensuite attiré la matière normale et créé les conditions pour qu’elle se condense en galaxies. Lambda-CDM prédit le nombre et la taille des halos qui devraient exister dans l’univers primitif, et donc le nombre de galaxies ” Il n’y a pas beaucoup de marge de manœuvre “, dit Boylan-Kolchin.

Somerville dit qu’il est possible de modifier lambda-CDM pour créer quelque chose de plus comme ce que voit Webb. Ou, dit-il, les cosmologistes peuvent être contraints de réévaluer les premiers moments du big bang lui-même : l’ère de l’inflation, une période de croissance rapide au cours de laquelle les fluctuations quantiques se sont transformées en zones de densité plus ou moins importante de matière, les germes de halos postérieurs . “Si l’inflation est mauvaise, cela pourrait être très fondamental”, dit-il. “Mais je ne parierais pas que ce soit ça.”

Ayant révélé le problème des premières galaxies, Webb peut fournir les données nécessaires pour y répondre. Jusqu’à présent, Webb ne voit que de jeunes étoiles brillantes et chaudes dans les premières galaxies récemment découvertes. Des observations de suivi de ces galaxies à des longueurs d’onde plus longues avec l’instrument infrarouge moyen de Webb ou des radiotélescopes au sol sensibles au submillimètre pourraient révéler les nuages ​​​​de gaz qui construisent activement des étoiles. Ces observations pourraient aider les astronomes à confirmer que les premières galaxies étaient des fabriques d’étoiles exceptionnellement prodigieuses et détenir des indices sur la façon dont elles l’ont fait.

“Dans 6 mois, nous aurons une bien meilleure image de tout cela”, déclare Boylan-Kolchin. “C’est une période très excitante.”

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