L'arc des Gemmes Cosmiques observé par le JWST. Crédits : ESA/Webb, NASA et CSA, L. Bradley (STScI), A. Adamo (Université de Stockholm) et la collaboration Cosmic Spring.
L’histoire de la formation et de l’évolution des étoiles et des galaxies jusqu’à nos jours reste l’une des questions astrophysiques les plus difficiles à résoudre à ce jour, mais de nouvelles recherches nous rapprochent de sa compréhension.
Une étude internationale récente menée par le Dr Angela Adamo à l'Université de Stockholm a dévoilé de nouvelles perspectives sur les jeunes galaxies de l'époque de la réionisation. Télescope spatial James Webb (JWST), des chercheurs ont étudié la galaxie arc des Gemmes Cosmiques (SPT0615-JD), confirmant que sa lumière est apparue 460 millions d'années après la Big Bang. Ce qui rend cette galaxie unique, c'est qu'elle est agrandie par un effet appelé lentille gravitationnelle, qui n'a pas été observé dans d'autres galaxies formées à cette époque. Le grossissement de l'arc des Gemmes Cosmiques a permis à l'équipe d'étudier pour la première fois les plus petites structures à l'intérieur d'une galaxie naissante.
Les chercheurs ont découvert que l’arc des Gemmes Cosmiques abrite cinq jeunes amas d’étoiles massives dans lesquels se forment les étoiles. « La surprise et l’étonnement ont été incroyables lorsque nous avons ouvert les images du JWST pour la première fois », raconte Adamo.
Le mystère de l'univers primitif
L'Époque de Réionisation (EoR) est une période cruciale de l'évolution de l'Univers, qui s'est produite au cours du premier milliard d'années après le Big Bang. Au cours de cette période, l'Univers a connu une transition importante. À ses débuts, il était rempli d'hydrogène gazeux neutre, mais cela a changé au cours de l'EoR. La matière de l'Univers est passée de sa forme neutre à une forme entièrement ionisée ; les atomes ont été dépouillés de leurs électrons. On pense que les premières galaxies de l'Univers ont provoqué cette transformation.
Pour étudier les premières galaxies, il faut regarder très loin dans l’espace. La lumière se déplace à une vitesse finie. En observant des objets à de grandes distances, nous pouvons « remonter dans le temps » car nous voyons l’état de l’objet au moment où la lumière a été émise par lui. Cependant, il est difficile d’observer les petits détails d’un objet à des distances suffisamment grandes pour étudier l’Univers primitif.
Un zoom sur les amas d’étoiles en miroir dans l’arc des Gemmes Cosmiques. Au milieu : une version négative des amas d’étoiles, où les différents amas d’étoiles sont marqués. À droite : les amas d’étoiles « derrière » la lentille gravitationnelle. Cette image a été calculée à l’aide de simulations informatiques. Crédits : ESA/Webb, NASA & CSA, L. Bradley (STScI), A. Adamo (Université de Stockholm) et la collaboration Cosmic Spring
Une méthode permettant d'observer les détails les plus fins d'une galaxie à grande distance consiste à utiliser la lentille gravitationnelle. La lentille gravitationnelle se produit lorsqu'un corps céleste de masse élevée courbe le trajet de la lumière autour de lui en raison de sa forte gravité. Lorsque la lumière émise par une source traverse la lentille gravitationnelle, elle est déformée de manière similaire à l'effet d'une loupe. De cette façon, les astronomes peuvent observer de petits détails dans des objets éloignés.
Les galaxies construisent lentement leur population stellaire par un processus appelé formation d'étoiles. Dans les galaxies locales, nous constatons qu'une grande partie des étoiles se forment dans des amas d'étoiles. Les amas d'étoiles sont des groupes d'étoiles maintenues ensemble par des forces gravitationnelles. Les amas d'étoiles peuvent avoir des tailles variables, certains ne contenant qu'un petit nombre d'étoiles tandis que d'autres peuvent en contenir des millions. Les amas globulaires sont de très vieux amas d'étoiles dans lesquels des étoiles se sont déjà formées, mais plus maintenant. Comment et où les amas globulaires se sont formés est un mystère de longue date.
Observations avancées avec JWST
Dans une nouvelle étude publiée dans la revue scientifique Naturel’équipe d’astronomes présente la découverte d’amas d’étoiles dans une galaxie dont la lumière a traversé une lentille gravitationnelle en direction de la Terre. « Cette prouesse n’a pu être possible que grâce aux capacités inégalées du JWST », explique le Dr Adélaïde Claeyssens de l’Université de Stockholm et co-auteur de la publication. La galaxie SPT0615-JD, également connue sous le nom de Cosmic Gems Arc, se situe dans l’Univers lointain. La lumière qui a atteint la Terre à l’heure actuelle a été émise par cette galaxie seulement 460 millions d’années après le Big Bang. En étudiant cet objet, les astronomes reviennent sur 97 % du temps cosmique.
La puissance de NIRCam et la découverte d'amas d'étoiles
« Grâce à la lentille gravitationnelle, l’Arc des Gemmes Cosmiques a pu être résolu à des échelles suffisamment petites pour étudier les objets qu’il contient », ajoute Claeyssens.
L'équipe a utilisé l'instrument NIRCam (Near Infrared Camera) à bord du JWST pour ses observations. La NIRCam est conçue pour prendre des images haute résolution dans la partie proche infrarouge du spectre lumineux, dans laquelle les premières étoiles et galaxies peuvent être détectées. Grâce à la haute résolution de la NIRCam du JWST, les observations obtenues ont montré une chaîne de points brillants se reflétant d'un côté à l'autre. Il a été découvert que ces points étaient cinq jeunes amas d'étoiles massives.
L’importance de la découverte des premiers amas d’étoiles
L'analyse des spectres lumineux émis par la galaxie a permis de déterminer que les amas stellaires sont liés par gravitation et ont une densité stellaire trois fois supérieure à celle des amas d'étoiles jeunes typiques de l'Univers local. On a également découvert que les amas se sont formés récemment, il y a 50 millions d'années. Ils sont très massifs, bien que beaucoup plus petits que les amas globulaires.
« C’était incroyable de voir les images du JWST de l’arc des Gemmes Cosmiques et de réaliser que nous observions des amas d’étoiles dans une galaxie aussi jeune. Nous observons des amas globulaires autour des galaxies locales, mais nous ne savons pas quand et où ils se sont formés. Les observations de l’arc des Gemmes Cosmiques nous ont ouvert une fenêtre unique sur le fonctionnement des galaxies naissantes et nous ont montré où les amas globulaires se sont formés », explique Adamo. « Ces amas auront suffisamment de temps pour se détendre et devenir des amas globulaires, car ils se sont formés à un si jeune âge de l’Univers », ajoute-t-elle.
Comprendre l’univers primitif
L’étude des amas d’étoiles dans les jeunes galaxies nées peu après le Big Bang permettra de mieux comprendre comment et où se forment les amas globulaires. Comme on pense que les jeunes galaxies sont à l’origine de la réionisation pendant l’EoR, il est essentiel de les étudier en profondeur afin d’acquérir des connaissances sur l’Univers primitif. Grâce aux découvertes faites par les auteurs de cette étude, nous comprenons mieux comment sont nées les étoiles des premières galaxies et où et comment se forment les amas globulaires.
Regard vers l'avenir
À l’avenir, le groupe prévoit de constituer un échantillon plus large de galaxies similaires. « Nous n’avons pour l’instant qu’une seule galaxie, mais nous en avons besoin de beaucoup plus si nous voulons créer des données démographiques sur les populations d’amas qui se forment dans les premières galaxies », explique Adamo.
L'équipe a également approuvé un programme pour le prochain cycle d'observations du JWST, où elle étudiera plus en détail la galaxie Cosmic Gems Arc et les amas d'étoiles récemment découverts. « Les observations spectroscopiques nous permettront de cartographier spatialement le taux de formation d'étoiles et les ionisations. photon « L’efficacité de la production le long de la galaxie », ajoute le Dr Larry Bradley, chercheur principal du programme JWST et deuxième auteur de cet article.
Le Dr Angela Adamo, professeure associée du groupe Galaxie au département d'astronomie de l'université de Stockholm, est l'auteure principale de l'article. Le Dr Adélaïde Claeyssens, chercheuse postdoctorale au département d'astronomie de l'université de Stockholm, et Erik Zackrisson, professeur associé au département de physique et d'astronomie de l'université d'Uppsala, sont les co-auteurs de l'étude.
