L’étude des « galaxies adolescentes » de l’univers ancien peut enseigner aux scientifiques comment ces systèmes massifs d’étoiles mûrissent et évoluent.
Galaxies qui se sont formées seulement 2 à 3 milliards d’années après Big Bang sont inhabituellement chauds et brillent avec la lumière d’éléments surprenants, comme le nickel, selon un nouveau travail dirigé par Gwen Rudie et Université du nord-ouestC’est Allison Strom. L’étude des « galaxies adolescentes » de l’univers ancien peut enseigner aux scientifiques comment ces systèmes massifs d’étoiles mûrissent et évoluent.
Leurs conclusions, publiées dans Le Lettres de journaux astrophysiques, font partie de l’enquête CECILIA (Chemical Evolution Constrained using Ionized Lines in Interstellar Aurorae), développée par Rudie et Strom, un ancien postdoctorant de Carnegie. En juillet dernier, ils ont pointé le télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA vers 33 galaxies anciennes spécialement sélectionnées dont la lumière a parcouru plus de 10 milliards d’années pour nous atteindre et ont regardé avec le nouveau télescope pendant plus d’une journée, offrant ainsi la vue la plus détaillée de ces premières galaxies. galaxies encore capturées.
Formation d’étoiles et évolution galactique
Dans la jeunesse de l’univers, de nombreuses galaxies, dont les 33 choisies pour cette étude, ont connu une période de formation intense d’étoiles. Aujourd’hui, certaines galaxies, comme la nôtre voie Lactée, forment encore de nouvelles étoiles, mais pas aussi rapidement. D’autres galaxies ont complètement cessé de former des étoiles. Ces nouveaux travaux peuvent aider les astronomes à comprendre les raisons de ces différentes trajectoires.
« Nous essayons de comprendre comment les galaxies se sont développées et ont changé au cours des 14 milliards d’années de l’histoire cosmique », a déclaré la première auteure Allison Strom. « Grâce au JWST, notre programme cible les galaxies adolescentes alors qu’elles traversaient une période difficile de poussées de croissance et de changement. Les adolescents vivent souvent des expériences qui déterminent leur trajectoire vers l’âge adulte. Pour les galaxies, c’est pareil.
Analyse spectrale et découvertes élémentaires
L’équipe CECILIA a étudié les spectres de ces galaxies lointaines, séparant leur lumière en longueurs d’onde qui la composent, tout comme un prisme diffuse la lumière du soleil dans les couleurs de l’arc-en-ciel. Regarder la lumière de cette manière aide les astronomes à mesurer la température et la composition chimique des sources cosmiques.
« Nous avons fait la moyenne des spectres des 33 galaxies pour créer le spectre le plus profond d’une galaxie lointaine jamais observé, qu’il faudrait 600 heures de télescope pour reproduire », a expliqué Rudie. « Cela nous a permis de créer une sorte d’atlas qui éclairera les futures observations JWST d’objets très éloignés. »
Grâce aux spectres, les chercheurs ont pu identifier huit éléments distincts : l’hydrogène, l’hélium, l’azote, l’oxygène, le silicium, le soufre, l’argon et le nickel.
« Ces éléments présents dans ces galaxies ne sont pas une surprise, mais notre capacité à mesurer leur lumière est sans précédent et montre la puissance du JWST », a déclaré Rudie.
Tous les éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium se forment à l’intérieur des étoiles. Lorsque les étoiles explosent lors d’événements violents comme les supernovae, elles rejettent ces éléments dans l’environnement cosmique, où ils sont incorporés à la prochaine génération stellaire. Ainsi, en révélant la présence de certains éléments dans ces premières galaxies, les astronomes peuvent en apprendre davantage sur l’évolution de la formation des étoiles au cours de leur évolution.
L’équipe de CECILIA a été surprise par la présence de nickel, particulièrement difficile à observer.
« Jamais dans mes rêves les plus fous je n’aurais imaginé que nous verrions du nickel », a déclaré Strom. « Même dans les galaxies proches, les gens ne l’observent pas. Il doit y avoir suffisamment d’éléments présents dans une galaxie et de bonnes conditions pour l’observer. Personne ne parle jamais d’observer le nickel. Les éléments doivent briller dans le gaz pour que nous puissions les voir. Donc, pour que nous puissions voir du nickel, il se peut que les étoiles des galaxies aient quelque chose d’unique. »
« JWST est encore un tout nouvel observatoire », a ajouté le co-auteur Ryan Trainor du Franklin & Marshall College. « Les astronomes du monde entier tentent encore de trouver les meilleurs moyens d’analyser les données que nous recevons du télescope. »
Résultats de température et héritage
Autre surprise : les galaxies adolescentes étaient extrêmement chaudes. En examinant les spectres, les physiciens peuvent calculer la température d’une galaxie. Alors que les poches de galaxies les plus chaudes peuvent atteindre plus de 9 700 degrés Celsius ou 17 492 degrés Fahrenheitles galaxies adolescentes enregistrent une température supérieure à 13 350 degrés Celsius ou 24 062 degrés Fahrenheit.
« Nous nous attendions à ce que ces premières galaxies aient une chimie très, très différente de celle de notre propre Voie Lactée et des galaxies qui nous entourent aujourd’hui », a déclaré Rudie. « Mais nous avons quand même été surpris par ce que JWST a révélé. »
Le projet a été nommé en l’honneur de Cecilia Payne-Gaposchkin, qui a réalisé un travail de pionnier sur la chimie de notre Soleil il y a près de 100 ans. Ses découvertes ont bouleversé la compréhension de la communauté scientifique sur la composition du Soleil et elle a fait l’objet de critiques injustes pendant des années avant que ses travaux révolutionnaires ne soient finalement reconnus.
« Nommer notre enquête JWST en l’honneur de Cecilia Payne visait à rendre hommage à ses études pionnières sur la composition chimique des étoiles. Allison et moi reconnaissons que notre propre travail révélant la chimie de ces toutes premières galaxies repose sur son héritage. » dit Rudie.
CECILIA était le premier des six projets initiaux du JWST dirigés par Carnegie et des astronomes affiliés à Carnegie sélectionnés pour effectuer des observations à l’aide de l’incroyable télescope spatial. Plus tôt cette année, quatre autres initiatives dirigées par Carnegie ont été choisies pour le deuxième cycle d’attribution de temps du JWST.
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir Webb révèle que les « galaxies adolescentes » sont inhabituellement chaudes et brillantes d’éléments inattendus.
Ce travail a été soutenu par NASA, la Fondation Pittsburgh et la Research Corporation for Scientific Advancement. Les données ont été obtenues à partir des archives Mikulski pour les télescopes spatiaux du Space Telescope Science Institute et de l’observatoire WM Keck.