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Découverte galactique record : aperçu de l'aube cosmique par le télescope spatial Webb

SciTechDaily

Cette image infrarouge du télescope spatial James Webb de la NASA (également appelé Webb ou JWST) a été prise par la NIRCam (Near-Infrared Camera) pour le programme JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, ou JADES. Les données NIRCam ont été utilisées pour déterminer quelles galaxies étudier davantage avec des observations spectroscopiques. L'une de ces galaxies, JADES-GS-z14-0 (illustré dans l'extrait), a été déterminée comme étant à un redshift de 14,32 (+0,08/-0,20), ce qui en fait le détenteur actuel du record de la galaxie connue la plus éloignée. Cela correspond à une époque inférieure à 300 millions d’années après le Big Bang. Crédits : NASA, ESA, CSA, STScI, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Phill Cargile (CfA)

NASALe télescope James Webb de 's découvre une galaxie lointaine à redshift 14,32, suggérant une formation de galaxies étonnamment rapide seulement 290 millions d'années après le Big Bang.

Au cours des deux dernières années, les scientifiques ont utilisé les Télescope spatial James Webb (également appelé Webb ou JWST) pour explorer ce que les astronomes appellent l’aube cosmique – la période des premières centaines de millions d’années après le Big Bang où sont nées les premières galaxies. Ces galaxies fournissent des informations essentielles sur la manière dont les gaz, les étoiles et les trous noirs évoluaient lorsque l’univers était très jeune.

En octobre 2023 et janvier 2024, une équipe internationale d’astronomes a utilisé Webb pour observer des galaxies dans le cadre du programme JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). En utilisant le NIRSpec (spectrographe proche infrarouge) de Webb, ils ont obtenu un spectre d'une galaxie record observée seulement deux cent quatre-vingt-dix millions d'années après le Big Bang. Cela correspond à un redshift d'environ 14, qui mesure l'étirement de la lumière d'une galaxie par l'expansion de l'univers.

Nous avons invité Stefano Carniani de l'École Normale Supérieure de Pise, en Italie, et Kevin Hainline de l'Université d'Arizona à Tucson, en Arizona, pour nous en dire plus sur la façon dont cette source a été trouvée et sur ce que ses propriétés uniques nous apprennent sur la formation des galaxies.

Spectre Galaxy JADES-GS-z14-0 (Webb NIRSpec)

Les scientifiques ont utilisé le NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) du télescope spatial James Webb de la NASA pour obtenir un spectre de la galaxie lointaine JADES-GS-z14-0 afin de mesurer avec précision son redshift et ainsi déterminer son âge. Le redshift peut être déterminé à partir de l'emplacement d'une longueur d'onde critique connue sous le nom de cassure Lyman-alpha. Cette galaxie remonte à moins de 300 millions d’années après le Big Bang. Crédit : NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), S. Carniani (Scuola Normale Superiore), Collaboration JADES

Percée dans la recherche sur les galaxies à fort redshift

« Les instruments sur Webb ont été conçus pour trouver et comprendre les premières galaxies, et au cours de la première année d'observations dans le cadre du JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), nous avons trouvé plusieurs centaines de galaxies candidates provenant des 650 premiers millions d'années après l'apparition des galaxies. Big Bang. Début 2023, nous avons découvert dans nos données une galaxie qui présentait de fortes preuves d’un redshift supérieur à 14, ce qui était très excitant, mais certaines propriétés de la source nous ont incités à nous méfier.

« La source était étonnamment brillante, ce à quoi on ne s'attendrait pas pour une galaxie aussi lointaine, et elle était très proche d'une autre galaxie, de sorte que les deux semblaient faire partie d'un objet plus grand. Lorsque nous avons observé à nouveau la source en octobre 2023 dans le cadre du JADES Origins Field, de nouvelles données d'imagerie obtenues avec les filtres NIRCam (Near-Infrared Camera) plus étroits de Webb pointaient encore plus vers l'hypothèse d'un redshift élevé. Nous savions que nous avions besoin d'un spectre, car tout ce que nous apprendrions serait d'une immense importance scientifique, soit comme nouvelle étape dans l'enquête de Webb sur l'univers primitif, soit comme bizarrerie déroutante d'une galaxie d'âge moyen.

« En janvier 2024, NIRSpec a observé cette galaxie, JADES-GS-z14-0, pendant près de dix heures, et lorsque le spectre a été traité pour la première fois, il y avait des preuves sans ambiguïté que la galaxie était effectivement à un redshift de 14,32, brisant le précédent plus élevé. -enregistrement de galaxie lointaine (z = 13,2 de JADES-GS-z13-0). Voir ce spectre était incroyablement excitant pour toute l’équipe, étant donné le mystère entourant la source.

« Cette découverte n'était pas seulement un nouveau record de distance pour notre équipe ; l'aspect le plus important de JADES-GS-z14-0 était qu'à cette distance, nous savons que cette galaxie doit être intrinsèquement très lumineux. D'après les images, la source s'avère avoir un diamètre de plus de 1 600 années-lumière, ce qui prouve que la lumière que nous voyons provient principalement de jeunes étoiles et non d'une émission proche d'un corps supermassif en pleine croissance. trou noir. Cette quantité de lumière stellaire implique que la galaxie fait plusieurs centaines de millions de fois la masse du Soleil ! Cela soulève la question suivante : comment la nature a-t-elle pu créer une galaxie aussi brillante, massive et aussi grande en moins de 300 millions d'années ?

Dévoilement de nouvelles perspectives de la lumière ancienne

« Les données révèlent d’autres aspects importants de cette étonnante galaxie. Nous voyons que la couleur de la galaxie n’est pas aussi bleue qu’elle pourrait l’être, ce qui indique qu’une partie de la lumière est rougie par la poussière, même à ces époques très reculées. Le chercheur JADES, Jake Helton du Steward Observatory et de l'Université de l'Arizona, a également identifié que JADES-GS-z14-0 avait été détecté à des longueurs d'onde plus longues avec le MIRI (Mid-Infrared Instrument) de Webb, une réalisation remarquable compte tenu de sa distance. L'observation MIRI couvre les longueurs d'onde de la lumière émise dans la gamme de la lumière visible, qui sont décalées vers le rouge hors de portée des instruments proche infrarouge de Webb.

« L'analyse de Jake indique que la luminosité de la source impliquée par l'observation MIRI est supérieure à ce qui serait extrapolé à partir des mesures des autres instruments Webb, indiquant la présence d'une forte émission de gaz ionisé dans la galaxie sous la forme de raies d'émission lumineuses provenant de l'hydrogène. et de l'oxygène. 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.

« Toutes ces observations, réunies, 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. Compte tenu de la luminosité observée de la source, nous pouvons prédire comment elle pourrait croître au fil du temps cosmique, et jusqu'à présent, nous n'avons trouvé aucun analogue approprié parmi les centaines d'autres galaxies que nous avons observées à un redshift élevé dans notre étude.

« Étant donné la région relativement petite du ciel que nous avons recherchée pour trouver JADES-GS-z14-0, sa découverte a de profondes implications sur le nombre prévu de galaxies brillantes que nous voyons dans l’univers primitif, comme discuté dans une autre étude simultanée de JADES. Il est probable que les astronomes découvriront de nombreuses galaxies lumineuses de ce type, peut-être même plus tôt, au cours de la prochaine décennie avec Webb. Nous sommes ravis de voir l’extraordinaire diversité des galaxies qui existaient à Cosmic Dawn ! »

Pour en savoir plus sur cette découverte, voir Webb découvre la galaxie la plus éloignée connue.

Ces observations spectroscopiques ont été réalisées dans le cadre du programme 1287 d'observations en temps garanti (GTO), et celles de MIRI dans le cadre du programme GTO 1180.

Stefano Carniani est professeur adjoint à la Scuola Normale Superiore en Italie. Il est également membre de l'équipe Webb/NIRSpec GTO et étudie l'évolution des galaxies et des trous noirs à travers le temps cosmique.

Kevin Hainline est professeur de recherche agrégé au Steward Observatory de l'Université de l'Arizona. Il est également membre de l'équipe scientifique Webb/NIRCam et utilise les données de l'enquête JADES GTO pour explorer l'évolution des galaxies et des noyaux galactiques actifs aux redshifts les plus élevés.

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