Les scientifiques sont déconcertés : Webb découvre des galaxies anciennes qui défient toute explication

NASA's Télescope spatial James Webb a révélé des objets mystérieux dans l'univers primitif qui remettent en question les théories actuelles sur les galaxies et les supermassifs trou noir évolution.

Ces objets contiennent de vieilles étoiles et des trous noirs massifs, beaucoup plus grands que prévu, suggérant une forme rapide et non conventionnelle de formation précoce des galaxies. Les résultats mettent en évidence des divergences importantes avec les modèles existants, et les propriétés uniques des objets indiquent une histoire cosmique précoce complexe.

Découverte révolutionnaire dans l'univers primitif

Une découverte récente du télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA a confirmé que des objets lumineux et très rouges détectés précédemment dans l'univers primitif remettent en question les idées établies sur les origines et l'évolution des galaxies et de leurs trous noirs supermassifs.

Dirigée par des chercheurs de Penn State et utilisant l'instrument NIRSpec sur JWST dans le cadre de l'enquête RUBIES, l'équipe internationale a identifié trois objets énigmatiques datant de 600 à 800 millions d'années après la Big Bangune époque où l'univers n'avait que 5 % de son âge actuel. Ils ont annoncé la découverte le 27 juin dans la revue Lettres de revues astrophysiques.

Les scientifiques ont analysé les mesures spectrales, c’est-à-dire l’intensité des différentes longueurs d’onde de la lumière émise par les objets. Leur analyse a révélé des signatures d’étoiles « vieilles », vieilles de plusieurs centaines de millions d’années, bien plus vieilles que ce que l’on pourrait attendre d’un univers jeune.

Le télescope spatial James Webb (JWST) offre une fenêtre sur le passé lointain du cosmos, en capturant des images des premières galaxies et étoiles de l'univers qui se sont formées il y a plus de 13,5 milliards d'années. Crédit : NASA-GSFC, Adriana M. Gutierrez (CI Lab)

Des découvertes inattendues dans l'évolution galactique

Les chercheurs ont également déclaré avoir été surpris de découvrir des signatures d'énormes trous noirs supermassifs dans les mêmes objets, estimant qu'ils sont 100 à 1 000 fois plus massifs que le trou noir supermassif de notre propre planète. voie Lactée. Aucune de ces deux hypothèses n’est attendue dans les modèles actuels de croissance des galaxies et de formation de trous noirs supermassifs, qui prévoient que les galaxies et leurs trous noirs grandissent ensemble au cours de milliards d’années d’histoire cosmique.

« Nous avons confirmé que ces objets semblent être remplis d’étoiles anciennes – vieilles de plusieurs centaines de millions d’années – dans un univers qui n’a que 600 à 800 millions d’années. Il est remarquable de constater que ces objets détiennent le record des premières signatures de lumière d’étoiles anciennes », a déclaré Bingjie Wang, chercheur postdoctoral à Penn State et auteur principal de l’étude. « Il était totalement inattendu de trouver de vieilles étoiles dans un univers très jeune. Les modèles standards de cosmologie et de formation des galaxies ont été incroyablement efficaces, mais ces objets lumineux ne s’intègrent pas tout à fait parfaitement dans ces théories. »

Les chercheurs ont repéré pour la première fois ces objets massifs en juillet 2022, lorsque l'ensemble de données initial a été publié par le JWST. L'équipe a publié un article dans Nature plusieurs mois plus tard, annonçant l'existence des objets.

Les défis de l'observation cosmique

À l'époque, les chercheurs soupçonnaient que les objets étaient des galaxies, mais ils ont poursuivi leur analyse en prenant des spectres pour mieux comprendre les véritables distances des objets, ainsi que les sources alimentant leur immense lumière.

Les chercheurs ont ensuite utilisé les nouvelles données pour se faire une idée plus précise de l’apparence des galaxies et de ce qu’elles contenaient. L’équipe a non seulement confirmé que les objets étaient effectivement des galaxies proches du début des temps, mais elle a également trouvé des preuves de l’existence de trous noirs supermassifs étonnamment grands et d’une population d’étoiles étonnamment ancienne.

« C’est très déroutant », a déclaré Joel Leja, professeur adjoint d’astronomie et d’astrophysique à Penn State et co-auteur des deux articles. « On peut arriver à ce que cela s’intègre mal dans notre modèle actuel de l’univers, mais seulement si nous évoquons une formation exotique et incroyablement rapide au début des temps. C’est, sans aucun doute, l’ensemble d’objets le plus particulier et le plus intéressant que j’ai vu dans ma carrière. »

Le JWST est conçu pour observer les phénomènes qui se sont produits juste après le Big Bang, en utilisant ses capacités infrarouges avancées pour scruter la poussière cosmique et découvrir des structures cachées dans l'espace. Crédit : Northrop Grumman

Les mystères des anciennes structures galactiques

Le JWST est équipé d'instruments de détection infrarouge capables de détecter la lumière émise par les étoiles et les galaxies les plus anciennes. En substance, le télescope permet aux scientifiques de remonter dans le temps jusqu'à environ 13,5 milliards d'années, près du début de l'univers tel que nous le connaissons, a déclaré Leja.

L’analyse de la lumière ancienne présente un défi : il peut être difficile de différencier les types d’objets qui auraient pu émettre cette lumière. Dans le cas de ces objets primitifs, ils présentent clairement les caractéristiques des trous noirs supermassifs et des vieilles étoiles. Cependant, explique Wang, on ne sait pas encore précisément quelle quantité de lumière observée provient de chacun d’eux. Cela signifie qu’il pourrait s’agir de galaxies primitives, étonnamment vieilles et plus massives que notre propre Voie lactée, qui se sont formées bien plus tôt que ne le prédisent les modèles, ou de galaxies de masse plus normale avec des trous noirs « surmassifs », environ 100 à 1 000 fois plus massifs que ceux d’une telle galaxie aujourd’hui.

« Il est difficile de faire la distinction entre la lumière provenant de la matière tombant dans un trou noir et la lumière émise par les étoiles dans ces minuscules objets lointains », a déclaré Wang. « L’incapacité à faire la différence dans les données actuelles laisse une grande marge d’interprétation de ces objets intrigants. Honnêtement, c’est passionnant d’avoir encore tant de choses à élucider dans ce mystère. »

Outre leur masse et leur âge inexplicables, si une partie de la lumière provient effectivement de trous noirs supermassifs, alors ils ne sont pas non plus des trous noirs supermassifs normaux. Ils produisent bien plus de photons ultraviolets que prévu, et des objets similaires étudiés avec d'autres instruments ne présentent pas les signatures caractéristiques des trous noirs supermassifs, comme la poussière chaude et l'émission de rayons X brillants. Mais le plus surprenant, selon les chercheurs, est peut-être leur masse apparente.

« Normalement, les trous noirs supermassifs sont associés à des galaxies », explique Leja. « Ils grandissent ensemble et vivent ensemble toutes les grandes expériences de leur vie. Mais ici, nous avons un trou noir adulte complètement formé vivant à l'intérieur de ce qui devrait être une petite galaxie. Cela n'a pas vraiment de sens, car ces choses devraient grandir ensemble, ou du moins c'est ce que nous pensions. »

Les chercheurs ont également été déconcertés par la taille incroyablement petite de ces systèmes, qui ne mesurent que quelques centaines d’années-lumière de diamètre, soit environ 1 000 fois plus petits que notre propre Voie lactée. Les étoiles sont à peu près aussi nombreuses que dans notre propre galaxie, la Voie lactée – avec entre 10 et 1 000 milliards d’étoiles – mais contenues dans un volume 1 000 fois plus petit que la Voie lactée.

Leja a expliqué que si l'on prenait la Voie Lactée et qu'on la compressait à la taille des galaxies qu'ils ont trouvées, l'étoile la plus proche serait presque dans notre système solaire. Le trou noir supermassif au centre de la Voie Lactée, à environ 26 000 années-lumière de la Terre, ne serait qu'à environ 26 années-lumière de la Terre et serait visible dans le ciel sous la forme d'un pilier de lumière géant.

« Ces premières galaxies étaient si denses en étoiles – des étoiles qui ont dû se former d’une manière que nous n’avons jamais vue, dans des conditions que nous n’aurions jamais imaginées à une époque où nous ne nous attendions pas à les voir », a déclaré Leja. « Et pour une raison ou une autre, l’univers a cessé de créer des objets comme ceux-ci après seulement quelques milliards d’années. Ils sont uniques à l’univers primitif. »

Les chercheurs espèrent poursuivre leurs observations, ce qui pourrait aider à résoudre certains mystères de ces objets. Ils prévoient d'obtenir des spectres plus profonds en pointant le télescope vers les objets pendant des périodes prolongées, ce qui aidera à démêler les émissions des étoiles et du potentiel trou noir supermassif en identifiant les signatures d'absorption spécifiques qui seraient présentes dans chacun.

« Il existe une autre façon de réaliser une percée, et c’est exactement la bonne idée », a déclaré Leja. « Nous avons toutes ces pièces du puzzle et elles ne s’assemblent que si nous ignorons le fait que certaines d’entre elles se cassent. Ce problème peut être résolu par un coup de génie qui nous a jusqu’à présent échappé, à tous nos collaborateurs et à l’ensemble de la communauté scientifique. »

Wang et Leja ont reçu un financement du programme General Observers de la NASA. Leur recherche a également été soutenue par l'Institut international des sciences spatiales de Berne. Le travail s'appuie en partie sur des observations réalisées avec le télescope spatial James Webb de la NASA/ESA/CSA. Les calculs nécessaires à la recherche ont été effectués sur le supercalculateur Roar de l'Institute for Computational and Data Sciences de l'université d'État de Pennsylvanie.

Les autres co-auteurs de l'article sont Anna de Graaff de l'Institut Max-Planck d'astronomie en Allemagne ; Gabriel Brammer du Centre Cosmic Dawn et de l'Institut Niels Bohr ; Andrea Weibel et Pascal Oesch de l'Université de Genève ; Nikko Cleri, Michaela Hirschmann, Pieter van Dokkum et Rohan Naidu de l'Université de Zurich. Université de Yale; Ivo Labbé de l'Université de Stanford; Jorryt Matthee et Jenny Greene de université de Princeton; Ian McConachie et Rachel Bezanson de l'Université de Pittsburgh ; Josephine Baggen de l'Université Texas A&M ; Katherine Suess de l'Observatoire de Sauverny en Suisse ; David Setton de l'Institut Kavli pour l'astrophysique et la recherche spatiale du Massachusetts Institute of Technology ; Erica Nelson de l'Université du Colorado ; Christina Williams du Laboratoire national de recherche en astronomie optique-infrarouge de la National Science Foundation des États-Unis et de l'Université de l'Arizona.