Le télescope Webb dévoile un puzzle cosmique : les fusions de galaxies éclairent le mystère du début de l’univers

L’une des missions clés du NASA/ESA/ASC Télescope spatial James Webb est de sonder l’Univers primitif. Aujourd’hui, la résolution et la sensibilité inégalées de l’instrument NIRCam de Webb ont révélé, pour la première fois, ce qui se trouve dans l’environnement local des galaxies du tout premier Univers.

Cela a permis de résoudre l’un des mystères les plus énigmatiques de l’astronomie : pourquoi les astronomes détectent la lumière provenant d’atomes d’hydrogène qui auraient dû être entièrement bloqués par le gaz vierge qui s’est formé après l’explosion. Big Bang.

Résoudre un mystère astronomique

Ces nouvelles observations de Webb ont permis de découvrir de petits objets faibles entourant les galaxies mêmes qui montrent l’émission « inexplicable » d’hydrogène. En conjonction avec des simulations de pointe des galaxies de l’Univers primitif, les observations ont montré que la fusion chaotique de ces galaxies voisines est à l’origine de cette émission d’hydrogène.

La lumière se déplace à une vitesse finie (300 000 km par seconde), ce qui signifie que plus une galaxie est éloignée, plus la lumière lui a mis du temps pour atteindre notre système solaire. Ainsi, non seulement les observations des galaxies les plus lointaines sondent les confins de l’Univers, mais elles permettent également d’étudier l’Univers tel qu’il était dans le passé.

Capacités de Webb et premières observations de galaxies

Afin d’étudier le tout premier Univers, les astronomes ont besoin de télescopes exceptionnellement puissants, capables d’observer des galaxies très lointaines – et donc très faibles. L’une des principales capacités de Webb est sa capacité à observer ces galaxies très lointaines, et donc à sonder les débuts de l’histoire de l’Univers. Une équipe internationale d’astronomes a mis à profit l’incroyable capacité de Webb pour résoudre un mystère de longue date en astronomie.

Les toutes premières galaxies étaient des sites de formation d’étoiles vigoureuses et actives et, en tant que telles, étaient de riches sources d’un type de lumière émise par des atomes d’hydrogène appelé émission Lyman-α.⁽¹⁾

Cependant, à l’époque de la réionisation⁽²⁾ une immense quantité d’hydrogène neutre entourait ces zones de formation active d’étoiles (également connues sous le nom de pépinières stellaires). De plus, l’espace entre les galaxies était rempli de plus de ce gaz neutre que ce n’est le cas aujourd’hui. Le gaz peut absorber et disperser très efficacement ce type d’émission d’hydrogène,⁽³⁾ les astronomes prédisent depuis longtemps que l’abondante émission Lyman-α émise au tout début de l’Univers ne devrait pas être observable aujourd’hui.

Cette théorie n’a cependant pas toujours résisté à l’examen minutieux, car des exemples d’émissions d’hydrogène très précoces ont déjà été observés par les astronomes. Cela pose un mystère : comment se fait-il que cette émission d’hydrogène – qui aurait dû être absorbée ou dispersée depuis longtemps – soit observée ? Le chercheur de l’Université de Cambridge et chercheur principal de la nouvelle étude, Callum Witten, explique :

« L’un des problèmes les plus déroutants présentés par les observations précédentes était la détection de la lumière provenant des atomes d’hydrogène du tout premier Univers, qui aurait dû être entièrement bloquée par le gaz neutre vierge formé après le Big Bang. De nombreuses hypothèses ont déjà été avancées pour expliquer la grande fuite de cette émission « inexplicable ».

Fusions de galaxies et émissions d’hydrogène

La percée de l’équipe est due à l’extraordinaire combinaison de résolution angulaire et de sensibilité de Webb. Les observations avec l’instrument NIRCam de Webb ont permis de résoudre des galaxies plus petites et plus faibles qui entourent les galaxies brillantes à partir desquelles l’émission « inexplicable » d’hydrogène avait été détectée. En d’autres termes, les environs de ces galaxies semblent être un endroit beaucoup plus fréquenté que nous le pensions auparavant, rempli de petites galaxies faiblement lumineuses. Fondamentalement, ces galaxies plus petites interagissaient et fusionnaient les unes avec les autres, et Webb a révélé que les fusions de galaxies jouent un rôle important dans l’explication de l’émission mystérieuse des premières galaxies. Sergio Martin-Alvarez, membre de l’équipe de l’Université de Stanford, ajoute :

« Là où Hubble ne voyait qu’une grande galaxie, Webb voit un amas de galaxies plus petites en interaction, et cette révélation a eu un impact énorme sur notre compréhension de l’émission inattendue d’hydrogène de certaines des premières galaxies. »

Les simulations Azahar présentées dans cette vidéo sont le résultat d’une collaboration entre l’Université de Stanford et l’Université de Cambridge, générées dans les supercalculateurs Cosma des installations HPC DIRAC UK. Crédit : S. Martin-Alvarez

L’équipe a ensuite utilisé des simulations informatiques de pointe (dont un échantillon est présenté dans la vidéo ci-dessus) pour explorer les processus physiques susceptibles d’expliquer leurs résultats. Ils ont découvert que l’accumulation rapide de masse stellaire due aux fusions de galaxies entraînait à la fois une forte émission d’hydrogène et facilitait la fuite de ce rayonnement via des canaux débarrassés de l’abondant gaz neutre. Ainsi, le taux de fusion élevé de galaxies plus petites, jusqu’alors inobservées, présentait une solution convaincante au puzzle de longue date de l’émission précoce « inexplicable » d’hydrogène.

Recherches futures et compréhension de l’évolution des galaxies

L’équipe prévoit des observations de suivi avec des galaxies à différents stades de fusion, afin de continuer à développer leur compréhension de la manière dont les émissions d’hydrogène sont éjectées de ces systèmes en évolution. À terme, cela leur permettra d’améliorer notre compréhension de l’évolution des galaxies.

Ces résultats ont été publiés le 18 janvier dans Astronomie naturelle.

Remarques

1. L’émission Lyman-α est une lumière émise à une longueur d’onde de 121,567 nanomètres lorsque l’électron dans un hydrogène excité atome passe d’un état excité dans l’orbitale n = 2 jusqu’à son état fondamental n = 1 (l’état d’énergie le plus bas que l’atome puisse avoir). La physique quantique dicte que les électrons ne peuvent exister que dans des états énergétiques très spécifiques, ce qui signifie que certaines transitions énergétiques – comme lorsque l’électron d’un atome d’hydrogène passe de l’orbite n = 2 à n = 1 – peuvent être identifiées par la longueur d’onde de l’atome d’hydrogène. lumière émise lors de cette transition. L’émission Lyman-α est importante dans de nombreuses branches de l’astronomie, en partie parce que l’hydrogène est si abondant dans l’Univers, et aussi parce que l’hydrogène est généralement excité par des processus énergétiques tels que la formation active en cours d’étoiles. En conséquence, l’émission Lyman-α peut être utilisée comme signe d’une formation active d’étoiles.
2. L’époque de la réionisation était une étape très précoce dans l’histoire de l’Univers qui a eu lieu après la recombinaison (la première étape après le Big Bang). Lors de la recombinaison, l’Univers s’est suffisamment refroidi pour que les électrons et les protons commencent à se combiner pour former des atomes d’hydrogène neutres. Au cours de la réionisation, des nuages ​​​​de gaz plus denses ont commencé à se former, créant des étoiles et finalement des galaxies entières dont la lumière a progressivement réionisé l’hydrogène gazeux.
3. L’hydrogène gazeux neutre est constitué d’atomes d’hydrogène qui sont dans l’état d’énergie le plus bas possible, chacun avec son électron sur l’orbite n = 1. Puisque la lumière émise par un atome d’hydrogène lors de l’émission Lyman-α transporte l’énergie de la transition atomique de orbitale n = 2 jusqu’à n = 1, lorsqu’il heurte un atome d’hydrogène neutre, il a exactement la bonne quantité d’énergie pour ioniser l’atome et amener son électron jusqu’à la prochaine orbitale disponible. Cela signifie que le gaz neutre absorbe et bloque très facilement les émissions Lyman-α.

Plus d’information

Le télescope spatial James Webb est le télescope le plus grand et le plus puissant jamais lancé dans l’espace. Dans le cadre d’un accord de collaboration internationale, l’ESA a assuré le service de lancement du télescope, à l’aide du lanceur Ariane 5. En collaboration avec des partenaires, l’ESA était responsable du développement et de la qualification des adaptations d’Ariane 5 pour la mission Webb et de l’acquisition du service de lancement par Arianespace. L’ESA a également fourni le spectrographe NIRSpec et 50 % de l’instrument infrarouge moyen MIRI, qui a été conçu et construit par un consortium d’instituts européens financés au niveau national (le Consortium européen MIRI) en partenariat avec JPL et l’Université de l’Arizona.

Webb est un partenariat international entre la NASA, l’ESA et l’Agence spatiale canadienne (ASC).