Le Télescope spatial James Webb (JWST) a accompli des choses incroyables au cours de sa première année d’activité ! En plus de prendre les images les plus détaillées et les plus époustouflantes jamais réalisées d’objets célestes emblématiques, Webb a terminé sa première campagne en champ profond, a tourné ses optiques infrarouges sur Mars et Jupiter, a obtenu des spectres directement à partir de l’atmosphère d’une exoplanète, a bloqué la lumière d’une étoile pour révéler le disque de débris qui l’orbite, a détecté sa première exoplanète et a repéré certaines des premières galaxies de l’Univers – celles qui existaient à l’Aube cosmique.
Eh bien, accrochez-vous ! Le Space Telescope Science Institute (STScI) vient d’annoncer ce que Webb étudiera au cours de sa deuxième année de fonctionnement – alias. Cycle 2 ! Selon une récente déclaration du STScI, environ 5 000 heures de prime time et 1 215 heures de temps parallèle ont été attribuées aux programmes General Observer (GO). Les programmes alloués au temps d’observation vont des études du Système solaire et des exoplanètes au milieu interstellaire et intergalactique, des trous noirs et quasars supermassifs à la structure à grande échelle de l’Univers.
Les propositions bénéficiant d’un temps d’observation ont été sélectionnées par le Comité d’allocation des télescopes (TAC) du cycle 2, qui s’est réuni en avril 2023. Les propositions les plus importantes (Trésor et Héritage) ont été examinées par le Comité exécutif (qui s’est réuni virtuellement du 17 au 20 avril) et ont reçu plus plus de 75 heures d’observation. Les plus petites propositions ont été évaluées par des examinateurs externes et ont reçu 15 heures chacune, tandis que les petites et moyennes propositions ont été examinées par des comités thématiques et ont reçu de 35 à 75 heures. Les programmes sélectionnés reflètent fidèlement les objectifs et les capacités de Webb.
Voici quelques exemples pour vous donner une idée de ce qui vous attend !
Exoplanètes !
L’un des aspects les plus attendus de la Webb mission est de savoir comment il contribuera à la transition en cours dans la science des exoplanètes. Alors que les astronomes se concentraient largement sur le processus de découverte dans le passé, l’amélioration des instruments, des méthodes et des analyses déplace l’attention vers la caractérisation. À ce jour, la grande majorité des exoplanètes ont été détectées par des moyens indirects, ce qui signifiait que des contraintes sur leur habitabilité devaient être déduites en fonction de leur étoile mère, de la distance à laquelle elles tournaient et de leurs masses respectives.
Grâce à l’optique infrarouge et à la sensibilité supérieures de Webb, les astronomes ont hâte de pouvoir imager directement les exoplanètes et d’obtenir des spectres de leurs atmosphères. En particulier, ils espèrent diriger les miroirs de Webb vers les étoiles voisines de type M (naines rouges) et leurs planètes rocheuses, dont beaucoup ont été confirmées ces dernières années. En plus d’être les étoiles les plus courantes de l’Univers (représentant 75% à 80%), les naines rouges sont également susceptibles de supporter des planètes rocheuses dans leurs zones habitables (HZ).
Cependant, ces planètes sont susceptibles d’être verrouillées par les marées avec leurs soleils, et les naines rouges sont sujettes à une activité d’éruption, ce qui soulève des questions sur leur capacité à long terme à retenir les atmosphères. Pour résoudre ce mystère, le Dr Shubham Kanodia de la Carnegie Institution de Washington et son équipe ont reçu 132,39 heures pour leur programme intitulé “Red Dwarfs and the Seven Giants”. Cette étude caractérisera les atmosphères de planètes rocheuses géantes autour d’étoiles de type M pour répondre à l’un des principaux objectifs scientifiques du JWST : comment la composition atmosphérique peut affecter la formation et l’évolution d’une planète.
Il s’agira de Kanodia et de son équipe utilisant le spectromètre proche infrarouge de Webb (NIRSpec) pour observer des planètes de la taille de Jupiter à courte période autour de naines rouges, ce qui pose des défis aux théories actuelles sur la formation des planètes et représente un régime extrême mal compris. En comparant les atmosphères de sept Jupiters à courte période naines M aux géantes gazeuses qui orbitent autour de notre Soleil, ils espèrent caractériser leur composition atmosphérique et leur métallicité et les comparer aux géantes gazeuses qui orbitent en jaune-blanc plus massif. (type F), solaires (type G) et étoiles naines orange (type K).
Une autre proposition, “The Hot Rocks Survey”, examinera neuf exoplanètes terrestres (rocheuses) irradiées qui orbitent près de leurs étoiles de type M. Dirigé par PI Hannah Diamond-Lowe et ses collègues de l’Université technique du Danemark (DTU Space), ce programme passera 115,2 heures allouées à examiner des planètes rocheuses avec MIRI pour déterminer si elles ont des atmosphères ou sont des roches stériles. Comme ils l’ont écrit dans leur proposition :
«Nous utiliserons la capacité photométrique infrarouge unique de JWST / MIRI en mode imagerie pour observer nos cibles lorsqu’elles passent derrière leurs étoiles hôtes lors d’une éclipse secondaire. Cette méthode nous permettra de déterminer efficacement lesquels, le cas échéant, des mondes de notre échantillon suggèrent la présence d’atmosphères. Mener cette enquête au début de la durée de vie de JWST nous permettra de tracer la voie vers les plus prometteurs de nos voisins du monde rocheux pour enquêter plus avant, ou bien nous renvoyer à la planche à dessin pour investir notre temps dans des cibles plus froides plus difficiles à atteindre. qui sont plus susceptibles de retenir les atmosphères.
Le professeur Bjorn Benneke de l’Institut Trottier de recherche sur les exoplanètes (iREx) de l’Université de Montréal et ses collègues – dont plusieurs sont membres de l’Agence spatiale canadienne (ASC) – ont également obtenu un temps d’observation (82 heures) pour rechercher le long- classe théorisée de planètes appelées «mondes aquatiques». Leur proposition, “Explorer l’existence et la diversité des mondes aquatiques riches en volatils”, s’appuiera sur la grande ouverture, la large couverture de longueur d’onde infrarouge et la plate-forme ultra-stable de JWST pour identifier sans ambiguïté les mondes aquatiques et caractériser leurs compositions atmosphériques. Ils ont écrit:
«Nous utiliserons NIRISS SOSS et NIRSpec G395H pour mesurer les spectres de transmission atmosphérique pour un échantillon des cinq candidats les plus prometteurs du monde aquatique identifiés par leurs densités apparente, les mesures de spectroscopie de transmission et les profondeurs attendues des caractéristiques spectrales moléculaires. En sondant de multiples cibles, notre programme fournira des contraintes vitales sur l’existence des mondes aquatiques et nous permettra de commencer à caractériser la diversité chimique de leurs atmosphères. L’existence de mondes aquatiques a des implications importantes pour les théories de la formation des planètes, et avec des compositions dominées par des composés volatils autres que H / He, ils représentent un nouveau régime de chimie atmosphérique qui est jusqu’à présent resté inexploré par les observations.
Galaxies
L’un des principaux objectifs de la mission Webb est l’enquête sur Cosmic Dawn, qui a commencé environ un milliard d’années après le Big Bang. Également connue sous le nom d’époque de réionisation, cette période est ainsi nommée parce que les premières galaxies ont émergé à cette époque. Cela a conduit à la réionisation de l’hydrogène neutre qui a imprégné le milieu intergalactique (IGM), rendant l’Univers transparent. Cette ère est considérée comme la « frontière finale » des relevés cosmologiques car l’extrême décalage vers le rouge et la présence d’hydrogène neutre rendent impossible l’étude de cette période en lumière visible.
Le manque de transparence au cours de cette période lui a valu d’être surnommée «l’âge cosmique des ténèbres». La seule façon de détecter la lumière de cette période est d’observer la raie de transition de 21 cm, une partie du spectre radio inaccessible aux instruments modernes, ou la raie d’émission H-alpha, qui est visible dans le spectre infrarouge moyen. Selon une étude récente, une équipe internationale dirigée par le Kapetyn Astronomical Institute (KAI) a résolu la ligne d’émission H-alpha en utilisant les données de l’instrument MIRI de Webb, fournissant ainsi la première détection confirmée de galaxies à Cosmic Dawn.
Au cours du cycle 2, les astronomes entendent repousser encore plus loin les limites. Pour commencer, PI Karl Glazebrook de l’Université de technologie de Swinburne et une équipe internationale ont eu 615 heures pour mener une « enquête parallèle 3D à large zone JWST ». Il s’agira d’observations parallèles pures à l’aide de l’imageur proche infrarouge et du spectrographe sans fente (NIRISS) de JWST d’une zone couvrant 1000 minutes d’arc carré. L’enquête qui en résulte, affirment-ils, fournira des mesures de spectres et de décalage vers le rouge pour 60 000 galaxies de “Cosmic Noon” à Cosmic Dawn (il y a environ 10-11 milliards à 13 milliards d’années), des premières étoiles et galaxies à la naissance de la seconde génération de stars (Population II) :
« Une étude de redshift sur une si grande surface nous permettra de mesurer l’agrégation 3D à l’ère de la croissance cosmique, révélant le lien détaillé entre les halos de matière noire et l’assemblage des baryons. Il fournira également un ensemble de fonctions de masse stellaire de référence pour des échantillons complets définis par type spectroscopique, abordera l’origine de l’extinction galactique, fournira des mesures d’abondance et d’âge 2D des galaxies mesurant l’accumulation galactique et fournira un recensement des rares galaxies brillantes z>11 et d’autres rares objets à tous les redshifts. La taille de l’enquête permettra également une découverte basée sur les données avec des approches avancées d’apprentissage automatique révélant des nouveautés et des surprises dans l’univers primitif.
De plus, PI Hakim Atek de l’Institut d’Astrophysique de Paris et ses collègues ont proposé la campagne d’observation Gravitational Lensing and NIRCam IMaging to Probe early galaxy formation and Sources of reionization (GLIMPSE). En prenant des images ultra-profondes avec Webb‘s Near-Infrared Camera (NIRCam), Atek et son équipe observeront des galaxies de faible masse quelques centaines de millions d’années après le Big Bang. Au cours de leurs 148 heures d’observation, ils espèrent étudier les mécanismes régissant la formation des galaxies, tels que l’accrétion de gaz, la formation d’étoiles et la rétroaction ultérieure inhibant la formation d’étoiles. Cela, affirment-ils, permettra d’atteindre trois objectifs principaux :
“Nous proposons de combiner la puissance de la lentille gravitationnelle forte avec l’imagerie NIRCam ultra-profonde pour atteindre trois objectifs principaux, (1) mesurer la prévalence des galaxies faibles à z> 6 pour établir, pour la première fois, des repères d’observation clés pour la galaxie des modèles de formation, qui n’ont jamais été confrontés à ce territoire inexploré ; (2) contraindre fortement la contribution des galaxies les plus faibles à la réionisation cosmique ; (3) sonder la population typique des galaxies pendant l’âge des ténèbres, qui reste hors de portée des programmes actuels.
Le professeur Daniel Eisenstein de l’Université de Harvard et une équipe internationale ont reçu 137,1 heures pour leur proposition, “Unveiling the Redshift Frontier with JWST”. Il s’agira d’un levé d’imagerie en bande moyenne à 6 filtres profonds avec le NIRCam pour identifier les galaxies à la frontière du décalage vers le rouge (z>15). Les propriétés de ces galaxies très anciennes testeront et éclaireront les théories de la formation des galaxies et permettront aux astronomes de faire des découvertes sur la physique de l’Univers primitif. Cela inclut des théories sur la présence possible de “Early Dark Energy” pour expliquer l’écart entre les mesures de l’expansion cosmique (alias la tension de Hubble).
Ils prévoient également de mener cette enquête parallèlement à une campagne de spectroscopie multi-objets en profondeur menée avec NIRSpec de galaxies candidates dans et autour du Hubble Ultra Deep Field (HUDF). “Ces spectres fourniront des informations détaillées sur les galaxies individuelles à haut décalage vers le rouge, pas seulement sur les empilements ou les moyennes, ce qui nous permettra d’étudier l’enrichissement chimique, les populations stellaires, l’histoire de la formation d’étoiles et les trous noirs nucléaires au cours du premier milliard d’années de l’Univers”. ils déclarent.
Intergalactique et en général
Le cycle 2 s’attachera également à caractériser l’espace intergalactique et la structure à grande échelle de l’Univers. Semblables à l’étude des premières galaxies, ces études accorderont également une attention particulière à l’époque de la réionisation. Cela comprendra un programme intitulé “Comment la réionisation se termine-t-elle ?” dirigé par PI George Becker de l’Université de Californie Riverside. En utilisant les données du mode d’observation NIRCam Wide Field Slitless Spectroscopy, Becker et son équipe aborderont le débat entre les modèles de réionisation précoce et tardive et détermineront quand précisément la fin de «l’âge sombre cosmique».
“Plusieurs constats indiquent maintenant que la réionisation s’est terminée bien en dessous de z = 6, ouvrant la porte à de nouveaux tests plus détaillés des modèles de réionisation », écrivent-ils. “Un de ces tests concerne la relation entre l’opacité et la densité IGM vers la fin de la réionisation.” En utilisant leurs 24,7 heures d’observation, Becker et ses collègues rechercheront des émetteurs Lyman-alpha (LAE) particulièrement brillants – [O III] émetteurs – le long de deux lignes de lumière quasar pour tracer les densités à grande échelle de l’IGM il y a environ 12,7 milliards d’années.
Une autre proposition du Dr Feige Wang de l’Université de l’Arizona, intitulée “Cartographie des protoamas les plus extrêmes à l’époque de la réionisation”, consiste à étudier le regroupement des galaxies dans l’Univers primordial. Cette étude testera des modèles théoriques qui prédisent la formation d’un milliard de SMBH de masse solaire à partir de halos massifs de matière noire et retracent la formation de protoamas dans l’Univers primordial. À l’aide de l’imageur dans le proche infrarouge et du spectrographe sans fente (NIRISS) pendant les 44,7 heures qui leur sont allouées, l’équipe effectuera des observations à grand champ de deux surdensités extrêmes de galaxies à z~6,6 (
“Les observations proposées fourniront la première étude complète du lien entre la croissance des SMBH de première génération, les halos massifs de matière noire et les structures à grande échelle tracées par les surdensités de galaxies”, ont-ils écrit.
Système solaire
Le temps d’observation générale sera également consacré à l’étude des planètes, des satellites et des objets dans notre arrière-cour. Par exemple, le professeur Tom Stallard de l’Université de Northumbria et une équipe internationale ont reçu 22,2 heures pour étudier la haute atmosphère de Jupiter afin d’en savoir plus sur la perte atmosphérique des géantes gazeuses. Comprendre comment les planètes perdent leur atmosphère dans l’espace au fil du temps en raison des vents stellaires (et d’autres facteurs) est essentiel pour caractériser les exoplanètes et comprendre la portée de l’habitabilité dans l’Univers.
Bien que ce processus soit relativement bien compris pour la Terre, il existe des divergences concernant les autres planètes du système solaire, démontrant que plusieurs caractéristiques sont mal comprises. Pour cette raison, Stallard et son équipe ont proposé d’utiliser l’unité de champ intégral du spectromètre proche infrarouge (NIRSpec-IFU) pour balayer la boiterie de Jupiter afin de révéler la distribution d’énergie dans l’atmosphère (basée sur l’altitude et la latitude). Les données du JWST seront comparées aux mesures d’occultation radio prises par le Junon sonde, qui continue d’étudier l’atmosphère de Jupiter.
Un autre programme ambitieux, inspiré par la détection de 1I/’Oumuamua et 2I/Borisov, appelle à une étude détaillée et à la caractérisation des objets interstellaires (ISO) qui traverseront notre système solaire dans un futur proche. Ce programme, dirigé par la PI Karen Meech de l’Université d’Hawaï, passera 17,4 heures à utiliser l’instrument NIRSpec pour obtenir des spectres à partir d’un ISO. Comme Meech et ses collègues l’indiquent dans leur proposition, les implications de ces observations seront révolutionnaires :
« Un examen détaillé des ISO fournira un accès à proximité inégalé aux conditions chimiques et physiques de la formation des exoplanètes. Les comètes et certains astéroïdes sont les vestiges en grande partie inchangés du processus d’accrétion planétaire, traçant à la fois la poussière et les volatils – H20, CO, CO2 – dans le disque. JWST révélera des informations détaillées sur les ISO que nous ne pouvons pas obtenir du sol, telles que la taille et l’albédo, les propriétés des glaces solides et des matériaux de surface, et les mesures simultanées de l’eau, du CO et du CO2.
Les étoiles et l’ISM
Webb mènera également plusieurs campagnes d’observation qui répondront aux questions entourant la physique stellaire, les types stellaires et le milieu interstellaire (ISM). L’un en particulier, dirigé par le Dr Miriam Garcia du Centro de Astrobiologia – Instituto Tecnológico de Aeronáutica (CAB-INTA) et plusieurs membres de l’ESA utiliseront Webb pour mesurer les taux de perte de masse des étoiles massives. Comme ils l’indiquent, la perte de masse “est un processus physique clé régissant l’évolution des étoiles massives” qui joue également un rôle dans l’évolution galactique – en particulier en ce qui concerne les premières galaxies de l’Univers.
En utilisant les données obtenues par l’instrument NIRSpec de Webb pendant un peu moins de 67 heures, le Dr Garcia et ses collègues mèneront des études détaillées d’étoiles massives dans le petit nuage de Magellan (SMC), ce qui serait impossible avec toute autre installation. “Nous proposons d’exploiter la superbe sensibilité de JWST dans l’IR thermique pour déterminer pour la première fois les taux de perte de masse des étoiles SMC O avec des vents légers”, écrivent-ils. “Nos résultats serviront à ancrer la physique de la théorie du vent induite par les radiations qui est si cruciale pour notre compréhension de l’évolution des étoiles massives et de leur impact sur l’Univers.”
Le Dr Hannah Uebler de l’Université de Cambridge et une équipe internationale passeront également 46,28 heures à utiliser NIRSpec pour rechercher des étoiles de la population III dans des galaxies à faible métallicité qui existaient il y a 12,888 à 13,15 milliards d’années. Cette population d’étoiles hypothétique était la première de notre univers, supposée avoir été extrêmement massive, brillante, chaude et avec des métallicités extrêmement faibles. Ce travail s’appuiera sur les observations du JWST et Le télescope spatial Hubbleutilisant leurs spectres intégrés pour discerner les étoiles PopIII dans les premières galaxies déjà repérées avec l’instrument NIRSpec.
“Les galaxies primaires ont une imagerie de JWST et/ou HST, et leurs spectres intégrés ont été pris avec NIRSpec-MSA”, ont déclaré le Dr Uebler et ses collègues dans leur proposition. « Ici, nous proposons de cartographier l’environnement de ces galaxies avec NIRSpec IFS. NIRSpec-IFS possède les capacités d’imagerie et de spectroscopie distinctives pour démêler les caractéristiques spectrales caractéristiques des étoiles PopIII proches des galaxies primaires, dans la gamme de longueurs d’onde où les caractéristiques PopIII devraient être les plus fortes.
SMBH et AGN
Enfin, mais tout aussi important, le temps d’observation de Webb sera également consacré à l’étude des trous noirs supermassifs (SMBH) et des noyaux galactiques actifs (AGN) ou quasars qui en résultent. Ces études détermineront le rôle que jouent les SMBH et les AGN dans l’évolution galactique, où la rétroaction du centre d’une galaxie peut arrêter la formation d’étoiles dans le disque, façonner la galaxie et réguler l’accrétion de SMBH. Le professeur Sylvain Veilleux (Université du Maryland) et une équipe internationale ont obtenu 39,23 heures d’utilisation des données MIRI pour étudier la «rétroaction extrême» causée par les écoulements sur les galaxies.
“L’énergétique de ces sorties évolue avec la puissance des quasars, mais les données actuelles manquent toujours des phases gazeuses coronales et moléculaires chaudes d’importance critique pour déterminer si les quasars de ces systèmes affectent réellement l’évolution de l’hôte”, écrivent-ils. Pour résoudre ce problème, ils observeront un ensemble représentatif de 13 galaxies infrarouges ultralumineuses locales (ULIRG) avec les sorties les plus puissantes observées à ce jour. Celles-ci seront analysées à l’aide du logiciel q3dfit pour obtenir un recensement complet de l’énergétique sortante, contraindre les mécanismes dominants derrière la rétroaction et caractériser l’impact sur l’évolution galactique.
Pendant ce temps, le Dr Joseph Hora du Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO) et son équipe disposaient de 29,88 heures pour observer la région centrée sur le Sagittaire A* (Sgr A*) – le SMBH au centre de la Voie lactée. À l’aide de MIRI et d’observations simultanées de Chandra, ils prévoient de tirer parti de la haute résolution angulaire de JWST pour caractériser les émissions de Sgr A *, contraindre les modèles d’accrétion et déterminer si l’accélération des particules est à l’origine des variations observées dans les émissions d’infrarouge moyen et de rayons X.
Le Dr Yoshiki Matsuoka (Université d’Ehime) et son équipe internationale ont eu 23 heures avec NIRSpec pour observer la croissance de la SMBH pendant l’ère de la réionisation. Ces observations répondront à de nombreuses questions brûlantes sur les SMBH, telles que la date d’apparition de leurs ancêtres, le temps qu’il leur a fallu pour atteindre des millions de masses solaires et la manière dont ils ont affecté l’évolution de leurs galaxies hôtes au fil du temps. Pour cette campagne, Matsuoka et son équipe utiliseront l’instrument NIRspec de Webb pour examiner dix quasars obscurcis de galaxies candidates qui existaient il y a environ 12,7 milliards d’années.
On pourrait dire qu’il y a quelque chose pour tout le monde dans le cycle 2, de la caractérisation des objets du système solaire à la caractérisation des exoplanètes, des galaxies et de la structure à grande échelle de l’univers. Là encore, si des propositions ou des possibilités ont été négligées, je suis sûr qu’ils peuvent s’attendre à avoir du temps pendant le cycle 3 ou les nombreuses autres campagnes d’observation qui auront lieu d’ici la fin des 20 ans prévus de Webb ! La liste complète des programmes d’observation générale se trouve sur le site Web STScI ou dans le catalogue des résumés GO du cycle 2.
Lectures complémentaires : STScI
