La grande galaxie au premier plan s’appelle LEDA 2046648 et est observée il y a un peu plus d’un milliard d’années dans le temps, tandis que la plupart des autres se trouvent encore plus loin et sont donc vues encore plus loin dans le temps. Crédit : ESA/Webb, NASA et CSA, A. Martel
Le Télescope spatial James WebbLe lancement de a permis aux astronomes d’observer l’univers de si près que nous approchons de la période où l’on pensait que les premières galaxies s’étaient formées. Pendant une grande partie de l’histoire de l’univers, il semble y avoir une corrélation constante entre le nombre d’étoiles formées par une galaxie et la quantité d’éléments lourds qu’elle a produits.
Mais pour la première fois, nous observons des signes indiquant que cette relation entre le nombre d’étoiles et d’éléments ne s’applique pas aux premières galaxies. La raison est probablement que ces galaxies sont simplement en train de se créer et n’ont pas encore eu le temps de créer les éléments lourds.
L’Univers regorge de galaxies – d’immenses collections d’étoiles et de gaz – et lorsque nous scrutons les profondeurs du cosmos, nous les voyons de près et de loin. Parce que la lumière a mis plus de temps à nous atteindre, plus une galaxie est éloignée, nous regardons essentiellement dans le temps, ce qui nous permet de construire un récit visuel de leur évolution tout au long de l’histoire de l’Univers.
Ce graphique montre les galaxies observées dans un « diagramme de masse élément-stellaire » : plus une galaxie est à droite, plus elle est massive, et plus elle est éloignée, plus elle contient d’éléments lourds. Les icônes grises représentent les galaxies de l’Univers actuel, tandis que les icônes rouges représentent les nouvelles observations des premières galaxies. Celles-ci contiennent clairement des éléments beaucoup moins lourds que les galaxies plus récentes, mais concordent à peu près avec les prédictions théoriques, indiquées par la bande bleue. Crédits : Kasper Elm Heintz, Peter Laursen
Les observations nous ont montré que les galaxies au cours des 12 derniers milliards d’années, soit 5/6 de l’âge de l’Univers, ont vécu leur vie dans une forme d’équilibre : il semble y avoir une relation fondamentale et étroite entre d’une part combien d’étoiles ils ont formés, et d’autre part combien d’éléments lourds ils ont formés. Dans ce contexte, les « éléments lourds » désignent tout ce qui est plus lourd que l’hydrogène et l’hélium.
Cette relation est logique car l’Univers était à l’origine constitué uniquement de ces deux éléments les plus légers. Tous les éléments plus lourds, comme le carbone, l’oxygène et le fer, ont été créés plus tard par les étoiles.
James Webb regarde plus profondément
Les toutes premières galaxies devraient donc être « non polluées » par des éléments lourds. Mais jusqu’à récemment, nous n’avions pas pu remonter aussi loin dans le temps. En plus d’être loin, la raison est que plus la lumière voyage dans l’espace, plus elle devient rouge. Pour les galaxies les plus lointaines, il faut regarder jusqu’à la partie infrarouge du spectre, et ce n’est qu’avec le lancement de James Webb que nous avons pu disposer d’un télescope suffisamment grand et sensible pour voir aussi loin.
Et le télescope spatial n’a pas déçu : James Webb a battu à plusieurs reprises son propre record de galaxie la plus lointaine, et il semble maintenant que nous arrivions enfin à l’époque où certaines des toutes premières galaxies ont été créées.
Le gaz diffus de l’espace intergalactique chute vers le centre, déclenchant la formation d’étoiles et devenant une partie du disque rotatif de la galaxie. Lorsque les étoiles meurent, elles renvoient leur gaz vers la galaxie (et l’espace intergalactique), désormais enrichi en éléments lourds. Crédit : Tumlinson et coll. (2017).
Dans une nouvelle étude, publiée aujourd’hui dans la revue scientifique Nature Astronomy, une équipe d’astronomes du centre de recherche danois Cosmic Dawn Center de l’Institut Niels Bohr et du DTU Space de Copenhague, a découvert ce qui semble effectivement être l’une des toutes premières galaxies. qui sont encore en train de se constituer.
« Jusqu’à récemment, il était presque impossible d’étudier comment les premières galaxies se sont formées dans l’Univers primitif, car nous ne disposions tout simplement pas des instruments adéquats. Cela a complètement changé avec le lancement de James Webb », déclare Kasper Elm Heintz, responsable de l’étude et professeur adjoint au Cosmic Dawn Center.
La relation fondamentale s’effondre
La relation entre la masse stellaire totale de la galaxie et la quantité d’éléments lourds est un peu plus complexe que cela. La rapidité avec laquelle la galaxie produit de nouvelles étoiles a également quelque chose à dire. Mais si vous corrigez cela, vous obtenez une belle relation linéaire : plus la galaxie est massive, plus les éléments sont lourds.
Mais cette relation est désormais remise en question par les dernières observations.
« Lorsque nous avons analysé la lumière de 16 de ces premières galaxies, nous avons constaté qu’elles contenaient beaucoup moins d’éléments lourds que ce que l’on pourrait attendre de leurs masses stellaires et du nombre de nouvelles étoiles qu’elles ont produites », explique Kasper Elm Heintz.
En fait, les galaxies contenaient en moyenne quatre fois moins d’éléments lourds que dans l’Univers ultérieur. Ces résultats contrastent fortement avec le modèle actuel selon lequel les galaxies évoluent selon une forme d’équilibre tout au long de l’histoire de l’Univers.
Prédit par les théories
Le résultat n’est cependant pas entièrement surprenant. Les modèles théoriques de formation des galaxies, basés sur des programmes informatiques détaillés, prédisent quelque chose de similaire. Mais maintenant nous l’avons vu !
L’explication, telle que proposée par les auteurs dans l’article, est simplement que nous assistons à des galaxies en train de se créer. La gravité a rassemblé les premiers amas de gaz qui ont commencé à former des étoiles.
Si les galaxies vivaient alors leur vie sans être dérangées, les étoiles les enrichiraient rapidement en éléments lourds. Mais à cette époque, entre les galaxies se trouvaient de grandes quantités de gaz frais et non pollué, se déversant vers les galaxies plus rapidement que les étoiles ne peuvent suivre.
« Le résultat nous donne un premier aperçu des premiers stades de la formation des galaxies, qui semblent être plus intimement liés au gaz situé entre les galaxies que nous ne le pensions.
Il s’agit de l’une des premières observations de James Webb sur ce sujet, nous attendons donc toujours de voir ce que les observations plus vastes et plus complètes actuellement menées peuvent nous dire.
Il ne fait aucun doute que nous aurons bientôt une compréhension beaucoup plus claire de la manière dont les galaxies et leurs premières structures ont commencé à se former au cours du premier milliard d’années après l’apparition des galaxies. Big Bang», conclut Kasper Elm Heintz.
