Webb est une machine de découverte de supernova : 10 fois plus de supernovae dans l'univers primitif

Webb trouve 10 fois plus de supernovae dans l’univers primitif qu’on ne le savait auparavant.

NASAc'est Télescope spatial James Webb se révèle exceller en tant que chasseur de supernova ! Grâce à son extrême sensibilité infrarouge, Webb découvre des supernovas lointaines presque partout où il regarde.

Webb est idéal pour identifier les supernovae extrêmement lointaines en raison d'un phénomène appelé redshift cosmologique, dans lequel la lumière voyageant à travers l'univers est étirée dans des longueurs d'onde plus longues. La lumière visible des anciennes supernovae est tellement étirée qu’elle se retrouve dans l’infrarouge. Les instruments de Webb sont réglés pour voir la lumière infrarouge, ce qui les rend idéaux pour trouver ces supernovae lointaines.

Une équipe a identifié 10 fois plus de supernovae lointaines que ce que l'on connaissait auparavant, à l'aide des données d'une étude approfondie de Webb sur l'univers primitif. Cette étude constitue la première étape majeure vers des études plus approfondies des anciennes supernovae avec Webb.

Le JADES Deep Field utilise les observations prises par le télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA dans le cadre du programme JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey). Une équipe d'astronomes étudiant les données JADES a identifié environ 80 objets (encerclés en vert) dont la luminosité changeait au fil du temps. La plupart de ces objets, appelés transitoires, sont le résultat d’explosions d’étoiles ou de supernovae. Crédit : NASA, ESA, CSA, STScI, JADES Collaboration

Le télescope spatial Webb ouvre une nouvelle fenêtre sur la science des supernovas

En scrutant profondément le cosmos, le télescope spatial James Webb de la NASA offre aux scientifiques leur premier aperçu détaillé de supernovae d'une époque où notre univers n'avait qu'une petite fraction de son âge actuel. Une équipe utilisant les données de Webb a identifié 10 fois plus de supernovae dans l’univers primitif qu’on ne le savait auparavant. Quelques-unes des nouvelles étoiles explosives découvertes sont les exemples les plus éloignés de ce type, y compris celles utilisées pour mesurer le taux d'expansion de l'univers.

« Webb est une machine de découverte de supernova », a déclaré Christa DeCoursey, étudiante de troisième année au Steward Observatory et à l'Université de l'Arizona à Tucson. « Le grand nombre de détections et les grandes distances par rapport à ces supernovae sont les deux résultats les plus intéressants de notre enquête. »

DeCoursey a présenté ces résultats lors d'une conférence de presse lors de la 244e réunion de l'American Astronomical Society à Madison, Wisconsin.

Crédit : NASA, ESA, CSA, Ann Feild (STScI)

« Une machine de découverte de supernova »

Pour faire ces découvertes, l’équipe a analysé les données d’imagerie obtenues dans le cadre du programme JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Webb est idéal pour trouver des supernovae extrêmement lointaines, car leur lumière est étirée sur des longueurs d'onde plus longues – un phénomène connu sous le nom de redshift cosmologique. (Voir l'image ci-dessus.)

Avant le lancement de Webb, seule une poignée de supernovae avait été découverte au-dessus d'un redshift de 2, ce qui correspond à l'époque où l'univers n'avait que 3,3 milliards d'années, soit seulement 25 % de son âge actuel. L’échantillon JADES contient de nombreuses supernovae qui ont explosé encore plus loin dans le passé, lorsque l’univers avait moins de 2 milliards d’années.

Auparavant, les chercheurs utilisaient le modèle de la NASA Le télescope spatial Hubble pour observer les supernovae du moment où l’univers était au stade « jeune adulte ». Avec JADES, les scientifiques observent des supernovas alors que l’univers était dans son « adolescence » ou sa « pré-adolescence ». À l’avenir, ils espèrent revenir à la phase « tout-petit » ou « nourrisson » de l’univers.

Pour découvrir les supernovae, l’équipe a comparé plusieurs images prises à un an d’intervalle et a recherché les sources disparues ou apparaissant dans ces images. Ces objets dont la luminosité observée varie au fil du temps sont appelés transitoires, et les supernovae sont un type de transitoire. Au total, l'équipe JADES Transient Survey Sample a découvert environ 80 supernovae dans une zone de ciel de l'épaisseur d'un grain de riz tenu à bout de bras.

Cette mosaïque affiche trois des quelque 80 transitoires, ou objets de luminosité changeante, identifiés dans les données du programme JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey). La plupart des transitoires sont le résultat d’explosions d’étoiles ou de supernovae. En comparant les images prises en 2022 et 2023, les astronomes ont pu localiser des supernovae qui, de notre point de vue, ont récemment explosé (comme les exemples présentés dans les deux premières colonnes), ou des supernovae qui ont déjà explosé et dont la lumière s'estompe (troisième colonne).
L'âge de chaque supernova peut être déterminé à partir de son redshift (désigné par « z »). La lumière de la supernova la plus lointaine, avec un redshift de 3,8, est apparue lorsque l'univers n'avait que 1,7 milliard d'années. Un redshift de 2,845 correspond à une période de 2,3 milliards d'années après le Big Bang. L'exemple le plus proche, avec un redshift de 0,655, montre la lumière qui a quitté sa galaxie il y a environ 6 milliards d'années, alors que l'univers avait un peu plus de la moitié de son âge actuel.
Crédit : NASA, ESA, CSA, STScI, Christa DeCoursey (Université d'Arizona), Collaboration JADES

« C'est vraiment notre premier échantillon de ce à quoi ressemble l'univers à fort redshift pour la science transitoire », a déclaré son coéquipier Justin Pierel, boursier Einstein de la NASA au Space Telescope Science Institute (STScI) à Baltimore, Maryland. « Nous essayons d'identifier si les supernovae lointaines sont fondamentalement différentes ou si elles ressemblent beaucoup à ce que nous voyons dans l'univers proche. »

Pierel et d’autres chercheurs du STScI ont fourni une analyse experte pour déterminer quels transitoires étaient en réalité des supernovae et lesquels ne l’étaient pas, car ils se ressemblaient souvent beaucoup.

L’équipe a identifié un certain nombre de supernovae à redshift élevé, dont la plus éloignée jamais confirmée spectroscopiquement, avec un redshift de 3,6. Son étoile génitrice a explosé alors que l’univers n’avait que 1,8 milliard d’années. Il s’agit d’une supernova dite à effondrement du noyau, une explosion d’une étoile massive.

Cette animation montre l'explosion d'un nain blanc, un reste extrêmement dense d’étoile qui ne peut plus brûler de combustible nucléaire en son cœur. Dans cette supernova de « type Ia », la gravité de la naine blanche vole la matière d'un compagnon stellaire proche. Lorsque la naine blanche atteint environ 1,4 fois la masse actuelle du Soleil, elle ne peut plus supporter son propre poids et explose. Crédit : NASA/JPL-Caltech

Découverte des supernovae lointaines de type Ia

Les supernovae de type Ia intéressent particulièrement les astrophysiciens. (Voir la vidéo ci-dessus.) Ces étoiles explosives sont d'une luminosité si prévisible qu'elles sont utilisées pour mesurer des distances cosmiques lointaines et aider les scientifiques à calculer le taux d'expansion de l'univers. L’équipe a identifié au moins une supernova de type Ia avec un redshift de 2,9. La lumière de cette explosion a commencé à nous parvenir il y a 11,5 milliards d’années, alors que l’univers n’avait que 2,3 milliards d’années. Le précédent record de distance pour une supernova de type Ia confirmée spectroscopiquement était un redshift de 1,95, alors que l'univers avait 3,4 milliards d'années.

Les scientifiques sont impatients d’analyser les supernovae de type Ia à des redshifts élevés pour voir si elles ont toutes la même luminosité intrinsèque, quelle que soit la distance. Ceci est d’une importance cruciale, car si leur luminosité varie avec le redshift, ils ne constitueraient pas des marqueurs fiables pour mesurer le taux d’expansion de l’univers.

Pierel a analysé cette supernova de type Ia trouvée à redshift 2,9 pour déterminer si sa luminosité intrinsèque était différente de celle attendue. Bien qu’il ne s’agisse que du premier objet de ce type, les résultats n’indiquent aucune preuve que la luminosité de type Ia change avec le redshift. Davantage de données sont nécessaires, mais pour l'instant, les théories basées sur les supernovas de type Ia concernant le taux d'expansion de l'univers et son destin ultime restent intactes. Pierel a également présenté ses découvertes lors de la 244e réunion de l'American Astronomical Society.

Regarder vers l'avenir

L’univers primitif était un endroit très différent avec des environnements extrêmes. Les scientifiques s’attendent à voir d’anciennes supernovae provenant d’étoiles contenant beaucoup moins d’éléments chimiques lourds que des étoiles comme notre Soleil. La comparaison de ces supernovae avec celles de l’univers local aidera les astrophysiciens à comprendre les mécanismes de formation des étoiles et d’explosion des supernovas à ces premières époques.

« Nous ouvrons essentiellement une nouvelle fenêtre sur l'univers transitoire », a déclaré Matthew Siebert, chercheur au STScI, qui dirige l'analyse spectroscopique des supernovae JADES. « Historiquement, chaque fois que nous avons fait cela, nous avons découvert des choses extrêmement excitantes, des choses auxquelles nous ne nous attendions pas. »

« Parce que Webb est si sensible, il trouve des supernovae et d'autres transitoires presque partout où il est pointé », a déclaré Eiichi Egami, membre de l'équipe JADES et professeur-chercheur à l'Université de l'Arizona à Tucson. « Il s'agit de la première étape significative vers des études plus approfondies des supernovae avec Webb. »

Le télescope spatial James Webb est le premier observatoire scientifique spatial au monde. Webb résout les mystères de notre système solaire, regarde au-delà des mondes lointains autour d'autres étoiles et sonde les structures mystérieuses et les origines de notre univers et la place que nous y occupons. Webb est un programme international mené par la NASA avec ses partenaires, l'ESA (Agence spatiale européenne) et CSA (Agence spatiale canadienne).