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Webb explore l'aube cosmique : observer les premières galaxies se nourrissant de gaz froid

SciTechDaily

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 neutre et froid 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)

Seul le télescope spatial James Webb peut détecter et étudier ces galaxies, qui se formaient au sein d'un gaz dense et opaque lorsque l'univers n'avait que quelques centaines de millions d'années.

Une équipe au Danemark examinant les données d'archives du Télescope spatial James Webb a récemment découvert un trio de galaxies lointaines qui étaient en train de collecter du gaz alors que l'univers n'avait que quelques centaines de millions d'années. Leur détection et leur caractérisation sont des réalisations remarquables dont seul Webb est actuellement capable, grâce à sa spécialisation dans la lumière infrarouge. Les données montrent pour la première fois que de grands réservoirs de gaz entourent ces premières galaxies. Ce gaz finira par tomber dans les galaxies, alimentant la formation de nouvelles étoiles et, sur des millions d’années, conduira à des galaxies hautement structurées regorgeant d’étoiles.

Infographie de l'univers à travers le temps

Bien que nous ne sachions pas exactement quand les premières étoiles ont commencé à briller, nous savons qu'elles ont dû se former quelque temps après l'ère de la recombinaison, lorsque les atomes d'hydrogène et d'hélium se sont formés (380 000 ans après le Big Bang), et avant les plus anciennes galaxies connues. existait (400 millions d'années après le Big Bang). La lumière ultraviolette émise par les premières étoiles a détruit l’hydrogène gazeux neutre qui remplissait l’univers en ions hydrogène et en électrons libres, ouvrant ainsi l’ère de la réionisation et la fin de l’âge des ténèbres de l’univers. Crédit : NASA, ESA, ASC, STScI

Les galaxies en formation active dans l’univers primitif se nourrissent de gaz froids

Des chercheurs analysant les données du télescope spatial James Webb de la NASA ont identifié trois galaxies qui pourraient se former activement alors que l'univers n'avait que 400 à 600 millions d'années. Les données de Webb montrent que ces galaxies sont entourées de gaz que les chercheurs soupçonnent d'être presque uniquement de l'hydrogène et de l'hélium, les premiers éléments à avoir existé dans le cosmos. Les instruments de Webb sont si sensibles qu'ils ont pu détecter une quantité inhabituelle de gaz dense entourant ces galaxies. Ce gaz finira probablement par alimenter la formation de nouvelles étoiles dans les galaxies.

Aperçus du Cosmic Dawn Center

« Ces galaxies sont comme des îles scintillantes dans une mer de gaz autrement neutre et opaque », a expliqué Kasper Heintz, auteur principal et professeur adjoint d'astrophysique au Cosmic Dawn Center (DAWN) de l'Université de Copenhague au Danemark. « Sans Webb, nous ne serions pas en mesure d'observer ces toutes premières galaxies, et encore moins d'en apprendre autant sur leur formation. »

« Nous nous éloignons d'une image des galaxies comme des écosystèmes isolés. À ce stade de l’histoire de l’univers, les galaxies sont toutes intimement liées au milieu intergalactique avec ses filaments et ses structures de gaz vierge », a ajouté Simone Nielsen, co-auteur et doctorante également basée à DAWN.

Conditions à l’ère de la réionisation (Illustration)

Il y a plus de 13 milliards d’années, à l’époque de la réionisation, l’univers était un endroit très différent. Le gaz entre les galaxies était largement opaque à la lumière énergétique, ce qui rendait difficile l'observation des jeunes galaxies. À mesure que les étoiles et les jeunes galaxies continuaient à se former et à évoluer, elles ont commencé à modifier le gaz qui les entourait. Au cours de centaines de millions d’années, le gaz est passé d’un gaz neutre et opaque à un gaz ionisé et transparent. Crédit : NASA, ESA, CSA, Joyce Kang (STScI)

Observations et analyses détaillées

Dans les images de Webb, les galaxies ressemblent à de légères taches rouges, c'est pourquoi des données supplémentaires, appelées spectres, ont été essentielles aux conclusions de l'équipe. Ces spectres montrent que la lumière de ces galaxies est absorbée par de grandes quantités d’hydrogène neutre. « Le gaz doit être très répandu et couvrir une très grande partie de la galaxie », a déclaré Darach Watson, co-auteur et professeur à DAWN. « Cela suggère que nous assistons à l’assemblage d’hydrogène neutre dans les galaxies. Ce gaz continuera à se refroidir, à s’agglutiner et à former de nouvelles étoiles.

L’univers était un endroit très différent plusieurs centaines de millions d’années après le Big Bang, au cours d’une période connue sous le nom d’ère de réionisation. (Voir l'image ci-dessus.) Le gaz entre les étoiles et les galaxies était largement opaque. Le gaz dans l’univers n’est devenu totalement transparent qu’environ 1 milliard d’années après Big Bang. Les étoiles des galaxies ont contribué à chauffer et à ioniser le gaz qui les entoure, le rendant finalement complètement transparent.

En faisant correspondre les données de Webb avec des modèles de formation d'étoiles, les chercheurs ont également découvert que ces galaxies abritent principalement des populations de jeunes étoiles. « Le fait que nous observions de grands réservoirs de gaz suggère également que les galaxies n'ont pas encore eu suffisamment de temps pour former la plupart de leurs étoiles », a ajouté Watson.

Ce n'est que le début

Webb n’atteint pas seulement les objectifs de la mission qui ont motivé son développement et son lancement, il les dépasse. « Les images et les données de ces galaxies lointaines étaient impossibles à obtenir avant Webb », a expliqué Gabriel Brammer, co-auteur et professeur agrégé à DAWN. « De plus, nous avions une bonne idée de ce que nous allions trouver dès que nous avons aperçu les données pour la première fois – nous faisions presque des découvertes visuelles. »

Il reste encore bien d’autres questions à résoudre. Où se trouve précisément le gaz ? Quelle quantité se trouve à proximité du centre des galaxies – ou à leur périphérie ? Le gaz est-il vierge ou déjà peuplé d’éléments plus lourds ? Des recherches importantes nous attendent. « La prochaine étape consiste à créer de grands échantillons statistiques de galaxies et à quantifier en détail la prévalence et l'importance de leurs caractéristiques », a déclaré Heintz.

Enquête scientifique sur la diffusion précoce de l'évolution cosmique (CEERS) (image Webb NIRCam)

Regardez profondément ce vaste paysage. Il a été assemblé à partir de plusieurs images capturées par le télescope spatial James Webb dans une lumière proche infrarouge – et il vibre pratiquement d’activité. Crédits : NASA, ESA, CSA, Steve Finkelstein (UT Austin), Micaela Bagley (UT Austin), Rebecca Larson (UT Austin), Alyssa Pagan (STScI)

Les découvertes des chercheurs ont été possibles grâce à l'enquête CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science) de Webb, qui comprend les spectres de galaxies lointaines du NIRSpec (spectrographe proche infrarouge) du télescope, et a été publiée immédiatement pour soutenir des découvertes comme celle-ci dans le cadre de l'étude Early Release Science de Webb. Programme Release Science (ERS).

Ces travaux ont été publiés dans le numéro du 24 mai 2024 de la revue Science.

Pour en savoir plus sur cette découverte, voir Webb capture pour la première fois la naissance des premières galaxies de l'univers.

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 et origines mystérieuses de notre univers et la place que nous y occupons. Webb est un programme international dirigé par NASA avec ses partenaires, l'ESA (Agence spatiale européenne) et CSA (Agence spatiale canadienne).

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