Cette illustration montre une galaxie se formant seulement quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, lorsque le gaz était un mélange de transparent et d'opaque pendant l'ère de la réionisation. Les données du télescope spatial James Webb de la NASA montrent qu'il y a beaucoup de gaz froid et neutre à proximité de ces premières galaxies – et que ce gaz pourrait être plus dense que prévu.
Webb a observé ces galaxies dans le cadre de son enquête Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) quelques mois après avoir commencé à effectuer des observations en 2022. Le CEERS comprend à la fois des images et des données connues sous le nom de spectres provenant des microobturateurs à bord de son NIRSpec (spectrographe proche infrarouge). Les données du CEERS ont été publiées immédiatement pour soutenir des découvertes comme celle-ci dans le cadre du programme Early Release Science (ERS) de Webb. Crédit : NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
En utilisant le Télescope spatial James WebbDes chercheurs de l'Université de Copenhague sont devenus les premiers à observer la formation de trois des premières galaxies de l'univers, il y a plus de 13 milliards d'années.
Pour la première fois dans l'histoire de l'astronomie, des chercheurs de l'Institut Niels Bohr ont assisté à la naissance de trois des plus anciennes galaxies de l'univers, il y a entre 13,3 et 13,4 milliards d'années.
La découverte a été faite à l'aide du télescope spatial James Webb, qui a apporté ces premières « observations en direct » de galaxies formatrices jusqu'à nous, ici sur Terre.
Grâce au télescope, les chercheurs ont pu observer les signaux provenant de grandes quantités de gaz qui s’accumulent et s’accumulent sur une mini-galaxie en cours de construction. Bien que ce soit ainsi que les galaxies se forment selon les théories et les simulations informatiques, cela n’a jamais été réellement observé.
« On pourrait dire que ce sont les premières images « directes » de la formation des galaxies que nous ayons jamais vues. Alors que James Webb nous a déjà montré les premières galaxies à des stades ultérieurs de l'évolution, nous assistons ici à leur naissance et donc à la construction des premiers systèmes stellaires de l'univers », explique le professeur adjoint Kasper Elm Heintz de l'Institut Niels Bohr. qui a dirigé la nouvelle étude.
L'étude a été publiée dans la prestigieuse revue scientifique Science.
Comment ils l'ont fait
Les chercheurs ont pu mesurer la formation des premières galaxies de l'univers en utilisant des modèles sophistiqués montrant comment la lumière de ces galaxies était absorbée par le gaz neutre situé à l'intérieur et autour d'elles. Cette transition est connue sous le nom de transition Lyman-alpha.
En mesurant la lumière, les chercheurs ont pu distinguer le gaz des galaxies nouvellement formées des autres gaz. Ces mesures n’ont été possibles que grâce aux capacités du spectrographe infrarouge incroyablement sensible du télescope spatial James Webb.
Galaxies nées peu après le Big Bang
Les chercheurs estiment que la naissance des trois galaxies s'est produite environ 400 à 600 millions d'années après la naissance de ces trois galaxies. Big Bang, l'explosion qui a tout déclenché. Même si cela semble long, cela correspond à la formation de galaxies au cours des trois à quatre premiers pour cent de la durée de vie globale de l'univers, soit 13,8 milliards d'années.
Peu de temps après le Big Bang, l’univers était un énorme gaz opaque d’atomes d’hydrogène – contrairement à aujourd’hui, où le ciel nocturne est parsemé d’une couverture d’étoiles bien définies.
« Au cours des quelques centaines de millions d’années qui ont suivi le Big Bang, les premières étoiles se sont formées, avant que les étoiles et le gaz ne commencent à fusionner pour former des galaxies. C’est le processus dont nous voyons le début dans nos observations », explique le professeur agrégé Darach Watson.
La naissance des galaxies a eu lieu à une époque de l’histoire de l’univers connue sous le nom d’époque de réionisation, lorsque l’énergie et la lumière de certaines des premières galaxies ont traversé les brumes d’hydrogène gazeux.
Ce sont précisément ces grandes quantités d’hydrogène gazeux que les chercheurs ont capturées grâce à la vision infrarouge du télescope spatial James Webb. Il s’agit de la mesure la plus lointaine de l’hydrogène gazeux froid et neutre, qui est la pierre angulaire des étoiles et des galaxies, découverte à ce jour par les chercheurs scientifiques.
À propos du premier univers
L’univers a commencé sa « vie » il y a environ 13,8 milliards d’années lors d’une énorme explosion : le Big Bang. Cet événement a donné naissance à une abondance de particules subatomiques telles que des quarks et des électrons. Ces particules se sont regroupées pour former des protons et des neutrons, qui ont ensuite fusionné en noyaux atomiques. Environ 380 000 ans après le Big Bang, les électrons ont commencé à tourner autour des noyaux atomiques et les atomes les plus simples de l’univers se sont progressivement formés.
Les premières étoiles se sont formées après quelques centaines de millions d’années. Et au cœur de ces étoiles se sont formés les atomes les plus gros et les plus complexes qui nous entourent.
Plus tard, les étoiles se sont fusionnées pour former des galaxies. Les galaxies les plus anciennes que nous connaissons se sont formées environ 3 à 400 millions d'années après le Big Bang. Notre propre système solaire est né il y a environ 4,6 milliards d’années, soit plus de 9 milliards d’années après le Big Bang.
Ajoute à la compréhension de nos origines
L'étude a été menée par Kasper Elm Heintz, en étroite collaboration avec, entre autres, ses collègues de recherche Darach Watson, Gabriel Brammer et la doctorante Simone Vejlgaard du Cosmic Dawn Center de l'Institut Niels Bohr de l'Université de Copenhague – un centre dont l'objectif déclaré est de enquêter et comprendre l’aube de l’univers. Ce dernier résultat les rapproche beaucoup plus de cet objectif.
L’équipe de recherche a déjà demandé plus de temps d’observation avec le télescope spatial James Webb, dans l’espoir d’approfondir leurs nouveaux résultats et d’en apprendre davantage sur la première époque de la formation des galaxies.
« Pour l’instant, il s’agit de cartographier nos nouvelles observations de galaxies en formation de manière encore plus détaillée qu’auparavant. Dans le même temps, nous essayons constamment de repousser les limites de notre visibilité dans l’univers. Alors peut-être que nous irons encore plus loin », déclare Simone Vejlgaard.
Selon le chercheur, ces nouvelles connaissances contribuent à répondre à l'une des questions les plus fondamentales de l'humanité.
« L'une des questions les plus fondamentales que nous, les humains, avons toujours posées est : « D'où venons-nous ? Ici, nous rassemblons un peu plus de réponse en mettant en lumière le moment où certaines des premières structures de l'univers ont été créées. C'est un processus que nous étudierons plus en détail, jusqu'à ce que nous puissions, espérons-le, assembler encore plus de pièces du puzzle », conclut le professeur agrégé Gabriel Brammer.
L'étude a été menée par les chercheurs Kasper E. Heintz, Darach Watson, Gabriel Brammer, Simone Vejlgaard, Anne Hutter, Victoria B. Strait, Jorryt Matthee, Pascal A. Oesch, Pall Jakobsson, Nial R. Tanvir, Peter Laursen, Rohan P. Naidu, Charlotte A. Mason, Meghana Killi, Intae Jung, Tiger Yu-Yang Hsiao, Abdurro'uf, Dan Coe, Pablo Arrabal Haro, Steven L. Finkelstein et Sune Toft.
La partie danoise de la recherche est financée par la Fondation nationale danoise pour la recherche et la Fondation Carlsberg.
