Plus les astronomes regardent l’Univers primordial, plus ils font de découvertes. Certaines de ces découvertes changent ce qu’ils pensaient savoir sur l’enfance du cosmos. Par exemple, le télescope spatial James Webb (JWST) a récemment trouvé des preuves de molécules et de poussières à base de carbone existant seulement un milliard d’années après le Big Bang. Il semble un peu différent de la poussière observée plus tard dans l’Univers.
La découverte de JWST provient d’une première enquête sur les galaxies appelée JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey). L’enquête a passé 32 jours de temps de télescope à observer et à caractériser les premières galaxies faibles. La poussière qu’il a observée se trouvait dans au moins une des centaines de galaxies étudiées. Il semble être constitué de grains de graphite ou de diamant, ce que nous voyons beaucoup dans les dernières étapes de l’histoire cosmique.
Leurs signatures chimiques ressemblent remarquablement à des molécules à base de carbone appelées « hydrocarbures aromatiques polycycliques » (HAP). Ces molécules sont abondantes plus tard dans l’Univers, mais il est peu probable qu’elles existaient alors que l’Univers n’avait qu’un milliard d’années. Alors, comment les sosies des molécules de HAP ont-elles pu exister si tôt dans l’histoire ?
Trouver une source pour ces molécules à base de carbone
L’astronome Joris Witsok, l’auteur principal d’un article décrivant la découverte, a émis l’hypothèse que les grains de type diamant provenaient des débris éjectés lors des explosions de supernova. “Cela pourrait également être produit sur de courtes périodes par des étoiles Wolf-Rayet ou des éjectas de supernova”, a-t-il expliqué.
Ces vieilles étoiles super chaudes peuvent être les ancêtres de certains types d’explosions de supernova. Ils seraient les berceaux parfaits pour la création de nano-diamants et autres poussières à base de carbone. En fait, certains modèles montrent que les grains riches en carbone proviennent de certains types d’étoiles Wolf-Rayet. Non seulement cela, mais ces grains peuvent survivre lorsque les étoiles explosent en supernovae. La question suivante est de savoir si de telles étoiles existaient ou non dans l’Univers primordial afin de produire la poussière observée par le JWST. La poussière fournit certainement des indices alléchants sur les premières populations stellaires de l’Univers. C’est parce que ces premières étoiles étaient massives et ont explosé en supernovae.
Les premiers se sont formés lorsque l’Univers était assez jeune, peut-être dès cent millions d’années après le Big Bang. Certes, les premières galaxies remontent à environ 400 millions d’années après le Big Bang. Les premières étoiles étaient des cinglés massifs faits d’hydrogène et d’hélium. Ils ont vécu des vies courtes et rapides et ont explosé en supernovae. Ces explosions auraient pu fournir les premiers exemples de poussière dans l’Univers. Avec plus d’épisodes de formation d’étoiles dans les premières galaxies, la poussière s’est accumulée, et c’est ce que JWST a détecté. Les molécules à base de carbone et les nano-diamants nécessitent des conditions chaudes et énergétiques spécifiques, qui auraient pu être fournies par les premières étoiles.
Molécules et poussières à base de carbone
La poussière existe dans tout le cosmos. Puisqu’il s’agit d’un produit de l’évolution stellaire, il n’est donc pas surprenant de trouver ces éléments dans l’Univers primitif. Il donne un aperçu des processus stellaires, mais il cache aussi beaucoup de choses. Par exemple, la poussière entrave notre vision du cœur de la Voie lactée ainsi que des objets de l’univers naissant. Heureusement, il existe des méthodes pour “voir à travers”, ce que fait JWST.
L’analyse chimique de la poussière fournit des détails infimes sur sa composition. Certaines molécules de poussière interagissent avec des types spécifiques de lumière. Les astronomes utilisent cette propriété pour comprendre de quoi est faite la poussière. C’est ce que l’équipe dirigée par Witstok a fait avec ses observations JWST. “Les grains de poussière riches en carbone peuvent être particulièrement efficaces pour absorber la lumière ultraviolette avec une longueur d’onde d’environ 217,5 nanomètres, que nous avons pour la première fois directement observée dans le spectre des galaxies très anciennes”, a-t-il déclaré, parlant de leur observation.
La fonction d’absorption de 217,50 nanomètres est un excellent outil pour observer la poussière et figure en bonne place dans les observations de molécules de HAP à travers l’Univers. Il identifie à la fois les molécules de PAH et les grains graphitiques de taille nanométrique. Ce serait cool si les HAP existaient tôt dans l’histoire cosmique. Cependant, leur processus de formation est davantage associé aux étoiles nouveau-nées et à la formation d’exoplanètes. Ils n’ont pas été observés bien avant environ deux milliards d’années après le Big Bang. Fait intéressant, les HAP sont également l’un des éléments chimiques de base de la vie.
Si ce n’est pas le PAH, alors qu’y a-t-il?
Fait intéressant, les caractéristiques que JWST a vues culminent à 226,3 nanomètres. Ce n’est pas très différent de la mesure à 217,5 nm, et il peut s’agir d’une erreur de mesure. Cependant, il est également très possible que cette infime différence de longueur d’onde indique que la composition de la poussière cosmique primitive est légèrement différente de la poussière que nous voyons dans les époques ultérieures. Et, c’est plutôt excitant, selon Witstok. “Ce léger décalage de la longueur d’onde de l’endroit où l’absorption est la plus forte suggère que nous pourrions voir un mélange différent de grains, par exemple, des grains de type graphite ou diamant”, a-t-il déclaré. “Cela pourrait aussi potentiellement être produit sur de courtes échelles de temps par des étoiles Wolf-Rayet ou des éjectas de supernova.”
Tout cela joue contre une étude continue des premières galaxies. Avant JWST, les astronomes devaient imager plusieurs galaxies dans l’Univers primordial. Des observations répétées ont fourni suffisamment d’informations sur ces premières étoiles et sur la manière dont l’absorption de poussière affecte leur lumière. Cependant, cela limitait les observations aux galaxies qui formaient des étoiles et de la poussière depuis longtemps. Il n’y avait pas beaucoup de chance de regarder des galaxies et des étoiles plus jeunes pour cerner leur production de poussière. JWST a permis d’observer des galaxies naines individuelles qui existaient au cours du premier milliard d’années du temps cosmique. Cela leur donne une fenêtre de temps pour étudier les origines de la poussière cosmique lorsque l’Univers en était vraiment à ses balbutiements.
Et après?
Bien sûr, il y a encore du travail à faire, selon Irene Shivaei, membre de l’équipe. “Nous prévoyons de travailler davantage avec des théoriciens qui modélisent la production de poussière et la croissance dans les galaxies”, a déclaré Shivaei. “Cela fera la lumière sur l’origine de la poussière et des éléments lourds dans l’Univers primitif.”
Pour plus d’informations
Webb voit des grains de poussière riches en carbone au cours du premier milliard d’années du temps cosmique
Des grains de poussière carbonés observés au cours du premier milliard d’années du temps cosmique
Grains de poussière carbonée dans les galaxies vus au cours du premier milliard d’années du temps cosmique (d’après arXiv)
