À quoi ressemblait l'univers dans les premiers centaines de millions d'années après son arrivée? Comment les premières étoiles et galaxies se sont-elles formées? Ce sont des questions que les astronomes ont désormais de meilleures chances de répondre, grâce à un nouveau programme de recherche utilisant le télescope spatial James Webb (JWST), qui est survenu en ligne en 2022.
Le programme Minerva, co-dirigé par un astronome Tufts, donnera aux chercheurs une vue encore meilleure qu'avant de l'univers précoce en utilisant des instruments sur le télescope Webb qui regardent un spectre de lumière différent de celui habituel.
Avec cette capacité, les chercheurs espèrent trouver des galaxies rares et inhabituelles pour les aider à comprendre la formation de la galaxie, à regarder la poussière pour savoir si certaines des plus anciennes galaxies créent encore de nouvelles étoiles et comprennent davantage la formation de trous noirs supermassifs.
Minerva – qui signifie l'imagerie moyenne avec Nircam pour explorer l'astrophysique révolutionnaire – a commencé à utiliser le télescope Webb le 25 juillet; Les observations devraient fonctionner pendant un an.
Danilo Marchesini, professeur de physique et d'astronomie et doyen de Research for Arts and Sciences at Tufts, est le co-chercheur de Minerva, qui implique des professeurs et des étudiants Tufts ainsi que des chercheurs de nombreuses universités et institutions dans le monde entier.
D'autres télescopes puissamment sensibles, y compris le télescope spatial Hubble, ont effectué des enquêtes similaires, mais n'ont pas pu fournir des images haute définition de l'univers très éloigné, au cours des premiers milliards d'années d'histoire cosmique.
Avec le projet Minerva, les astronomes obtiendront une imagerie de bandes moyennes en utilisant l'instrument NIRCCAM sur le JWST, et également l'imagerie à partir d'un autre instrument JWST appelé Miri, qui permettra des observations plus ajustées des zones qui ont été précédemment étudiées, en particulier pour les objets obstructions de poussière.
« L'idée ici est d'obtenir l'ensemble de données ultime de plusieurs longueurs d'onde pour la science de l'astronomie extragalactique », explique Marchesini. Ils ciblent quatre principaux champs extragalactiques – ce qui fait ceux qui en dehors de notre propre galaxie de la Voie lactée – exposant des détails beaucoup plus fins.
Avec les nouvelles données qu'ils collecteront « se présente une connaissance très précise des propriétés de ces galaxies et de leurs populations stellaires – la masse stellaire de la galaxie, combien d'étoiles que la galaxie se forme chaque année et son histoire de formation d'étoiles », dit-il.
Voir des objets rares
Avec l'imagerie à large bande, les scientifiques ont pu scanner de grandes sections du cosmos, mais une concentration sacrifiée – ils ne pouvaient pas toujours dire si les émissions qu'ils voyaient provenaient d'étoiles entièrement formées, de formation d'étoiles intenses ou de trous noirs supermassifs.
Mais avec l'imagerie moyenne en bande, « nous échantillonnons la distribution d'énergie spectrale beaucoup plus finement, un facteur de quelques fois mieux qu'avec le haut débit », explique Marchesini. Cela signifie, par exemple, qu'ils peuvent faire la distinction entre une galaxie qui est au repos – pas plus d'étoiles en formation plus longue – versus une galaxie qui forme activement beaucoup d'étoiles, mais l'obscurcissement de la poussière le fait ressembler à une galaxie de repos avec une imagerie à large bande.
Les quatre cibles extragalactiques sur lesquelles Minerva se concentre sur « augmentera d'un facteur d'environ 10 » la superficie des champs extragalactiques pour lesquels les astronomes auront un échantillonnage complet et approfondi.
« La zone est importante, car ce que nous recherchons aussi, ce sont des objets rares », explique Marchesini. « Vous devez goûter un plus grand volume de l'univers pour trouver des objets rares très excitants, surtout si vous allez dans les galaxies où ils sont soit les premières galaxies qui se sont formées, soit ces galaxies de repos très excitantes au cours des premiers milliards d'années d'histoire cosmique. »
L'un des objectifs est de se concentrer sur la période connue sous le nom de l'aube cosmique – une phase précoce de la croissance de l'univers après le Big Bang. Au cours des premiers centaines d'années, l'univers a été entièrement en hydrogène et hélium neutre, une époque appelée l'âge sombre.
« C'est avant l'apparition des premières stars et galaxies », explique Marchesini. « Ensuite, les premières étoiles, galaxies et trous noirs apparaissent. »
Un changement de temps
En astronomie, plus les objets sont éloignés dans l'espace, il y a combien de temps ils ont été formés, car plus un objet est loin, plus nous le voyons dans le temps. Cette distance est mesurée en décalage vers le rouge – un changement dans le spectre de la lumière émis par un objet lorsqu'il s'éloigne de nous. Plus il est éloigné, plus son décalage vers le rouge est grand.
Pour observer l'univers lorsqu'il avait 5 milliards d'années de jeunesse – lorsque l'univers avait environ 7,7 milliards d'années – « Nous devons observer les galaxies avec une valeur de décalage vers le rouge, mais si nous voulons observer les galaxies lorsque l'univers avait un ou demi, » dit Marsini.
« L'un des objectifs du télescope Webb est de trouver les premières stars, les premières galaxies », dit-il. « Avec Minerva, il y a beaucoup de choses différentes que nous voulons trouver, et on cherche des candidats très robustes de galaxies au cours des 300 premiers millions d'années, ou de redshift au-dessus de 13. »
Avec l'imagerie moyenne en bande, les astronomes peuvent faire la différence entre les objets de Redshift 13 et, disons, des galaxies obstruées par la poussière de la poussière de Redshift 5. (La lumière obstructée par la poussière est plus faible, ce qui le fait paraître plus loin qu'il ne l'est vraiment.) Avec cette information, les chercheurs peuvent « essayer de mieux coudre les morceaux de la façon dont les galaxies ont évolué, en particulier par cette phase poussiémée », dit-il mieux.
Les chercheurs sont également très intéressés par les premières galaxies au repos – des galaxies qui ont cessé de former des étoiles et de rester au repos pour le reste de leur existence. « Minerva nous permettra d'identifier un échantillon très robuste de galaxies au relevés de Redshift 3, où nous savons que les galaxies au repos existent à Redshift 8, essayant vraiment de trouver quand les premières galaxies au repos apparaissent dans l'univers », explique Marchesini.
Ils pourront également suivre la fréquence et la densité des galaxies au repos sur le temps cosmique. « Une fois que nous savons que l'observation par observation, nous pouvons alors comprendre à travers des simulations et des motifs de tous les mécanismes physiques intéressants qui sont responsables de leur croissance, de leur extinction et de leur approche synergique entre les observations et la théorie », explique Marchesini.
Un autre objectif de Minerva est de mieux comprendre une classe d'objets trouvés plus tôt par le télescope Webb, appelé « Little Red Dots ». Les astronomes pensent qu'ils sont des trous noirs supermassifs, mais je ne sais pas s'il y a du gaz et des étoiles autour d'eux.
« Minerva nous permettra certainement d'identifier les petits points rouges d'une manière beaucoup plus robuste », explique Marchesini, « épinglant l'évolution du nombre et de la densité des petits points rouges, et des trous noirs supermassifs centraux que nous pensons.
Actuellement, il existe un large éventail de modèles théoriques sur le développement de trou noir supermassif, et Marchesini dit que les petits points rouges « pourraient contenir la clé pour comprendre ou discriminer entre ces différents scénarios et modèles ».
Marchesini dit qu'il est excité alors que le programme Minerva commence cet été. « Cela fournira certainement des sciences et des résultats transformateurs », dit-il.
