Regarder dans le passé antique avec un télescope spatial de 10 milliards de dollars, dans l’espoir de trouver des signaux extraordinairement faibles des premières galaxies, peut sembler une tâche désespérée. Mais c’est seulement désespéré si nous n’en trouvons pas. Maintenant que le télescope spatial James Webb a trouvé ces signaux, l’exercice est passé de désespéré à plein d’espoir.
Mais seulement si les astronomes peuvent confirmer les signaux.
Le télescope spatial James Webb (JWST) a été construit pour remonter le temps et identifier les toutes premières galaxies de l’Univers. Ces observations sont destinées à forger un lien entre les galaxies anciennes et les galaxies que nous voyons maintenant, y compris la nôtre. Ce lien aidera les astronomes à comprendre comment des galaxies comme la nôtre se sont formées et ont évolué au cours de milliards d’années.
L’expansion de l’Univers étire la lumière émise par les objets anciens il y a des milliards d’années. L’étirement déplace la lumière vers l’extrémité rouge du spectre de la lumière visible. Le télescope spatial James Webb a été construit pour voir cette lumière et identifier les anciennes galaxies qui l’ont émise.
Le GLASS Survey du télescope est allé au cœur du problème. Il a utilisé l’amas de galaxies appelé Pandora’s Cluster (Abell 2744) comme lentille gravitationnelle pour magnifier les galaxies lointaines derrière lui et a trouvé 19 objets brillants qui semblent être des galaxies précoces.
D’autres premiers résultats scientifiques du JWST ont trouvé plus d’objets qui semblent être d’anciennes galaxies. Ensemble, ces résultats sont une corne d’abondance d’observations scientifiques. Les astronomes ont entrepris il y a des décennies de construire le JWST avec ces découvertes à l’esprit. Mais il y a un problème : nos théories et nos modèles de formation de galaxies suggèrent qu’il ne devrait pas y avoir autant de ces premières galaxies. Les conclusions du JWST devaient être confirmées.
Une équipe de chercheurs a utilisé l’ALMA (Atacama Large Millimetre/sub-millimetre Array) de l’ESO pour examiner une galaxie candidate de GLASS et tenter de la confirmer. Leur article s’intitule « Deep ALMA redshift search of az ~ 12 GLASS-JWST galaxy candidate », et il a été publié dans les Monthly Notices of the Royal Astronomy Society. L’auteur principal est Tom Bakx de l’Université de Nagoya.
Jusqu’à présent, aucune des galaxies anciennes candidates du JWST n’a été confirmée. Jusqu’à ce que les astronomes puissent les confirmer, nous sommes dans une impasse. Dans l’un de ses Commence par un coup articles à Big Think, l’astrophysicien Ethan Siegel a fait ce point avec éloquence. “Si toutes ces galaxies candidates ultra-éloignées étaient réelles, nous en aurions trop tôt, ce qui nous obligerait à repenser la façon dont les galaxies commencent à se former dans l’Univers”, écrit Siegel. « Mais nous pourrions nous tromper complètement, et nous ne le saurons pas avec seulement nos données actuelles. Il y a une énorme différence entre la lumière émise par une galaxie lointaine et la lumière qui arrive à nos yeux après avoir voyagé pendant des milliards d’années-lumière à travers l’Univers.
Plus d’observations étaient nécessaires pour confirmer l’un de ces anciens candidats, et c’est ce que cette équipe de chercheurs a recueilli. “Les premières images du télescope spatial James Webb ont révélé tellement de galaxies primitives que nous avons estimé que nous devions tester ses résultats en utilisant le meilleur observatoire sur Terre”, a déclaré l’auteur principal Bakx dans un communiqué de presse.
Ils ont choisi une galaxie nommée GHZ2/GLASS-z12, l’un des candidats les plus brillants et les plus robustes au z > 10, selon les observations du JWST. z > 10 signifie que la lumière de la galaxie voyage depuis plus de 13,184 milliards d’années et a parcouru une distance d’au moins 26,596 milliards d’années-lumière. Comme Siegel l’a souligné dans son article, il peut arriver beaucoup de choses à la lumière qui parcourt plus de 26 milliards d’années-lumière avant de nous atteindre.
“La spectroscopie est nécessaire pour confirmer la nature primitive de ces candidats”, écrivent les auteurs dans leur article. Il est possible que la lumière de certaines de ces galaxies soit rouge en raison de la poussière plutôt que de la distance, et la spectroscopie pourrait aider à différencier les deux. Ils se sont tournés vers ALMA, le télescope au sol le plus cher au monde actuellement en service.
Ils l’ont utilisé pour rechercher une ligne d’oxygène (O III) dans la spectroscopie à la même fréquence trouvée dans les observations JWST. O III est de l’oxygène doublement ionisé, et il est essentiel car l’oxygène a un temps de formation court par rapport aux autres éléments. Se concentrer sur l’oxygène augmentait la probabilité de détection.
Les étoiles peuvent générer de l’oxygène sur une courte échelle de temps de 50 Myr. D’autres éléments, comme le carbone par exemple, mettent près de 500 Myr pour apparaître dans une galaxie. Cela signifie que l’oxygène est généralement le meilleur indicateur de décalage vers le rouge, selon les auteurs, et est probablement la ligne d’émission la plus brillante de l’Univers primordial. ALMA pourrait-il le trouver ?
La puissance d’ALMA n’a pas déçu.
“Le travail du JWST ne fait que commencer, mais nous ajustons déjà nos modèles de formation des galaxies dans l’Univers primordial pour correspondre à ces observations.”
Jorge Zavala, Observatoire astronomique national du Japon.
La confirmation d’ALMA n’a cependant pas été instantanée. Il y avait un léger décalage dans le signal d’oxygène entre les observations JWST et l’observation ALMA.
“Nous étions initialement préoccupés par la légère variation de position entre la ligne d’émission d’oxygène détectée et la galaxie vue par Webb”, note l’auteur Tom Bakx, “mais nous avons effectué des tests détaillés sur les observations pour confirmer qu’il s’agit vraiment d’une détection robuste, et il est très difficile de l’expliquer par une autre interprétation.
Les observations font plus que confirmer l’âge de la galaxie, elles éclairent également sa métallicité. Ils montrent que suffisamment d’étoiles ont déjà vécu et sont mortes pour enrichir la galaxie d’éléments comme l’oxygène. « L’émission de raies brillantes indique que cette galaxie a rapidement enrichi ses réservoirs de gaz avec des éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium. Cela nous donne quelques indices sur la formation et l’évolution de la première génération d’étoiles et leur durée de vie », a déclaré le co-auteur principal Jorge Zavala de l’Observatoire astronomique national du Japon.
Les observations contiennent également un autre indice alléchant. Au moins certaines des étoiles qui ont vécu et sont mortes et ont peuplé la galaxie de métaux ont peut-être explosé en supernovae. “La petite séparation que nous voyons entre le gaz oxygène et l’émission des étoiles pourrait également suggérer que ces premières galaxies ont souffert de violentes explosions qui ont soufflé le gaz du centre de la galaxie dans la région entourant la galaxie et même au-delà”, a ajouté Zavala.
NASA / ESA / CSA / T. Treu, UCLA / NAOJ / T. Bakx, Nagoya U.
La découverte des premières galaxies de l’Univers était l’une des principales motivations du JWST et, comme le montre cette étude, il progresse. Il y a un nombre croissant de galaxies précoces candidates en attente de confirmation, et si davantage d’entre elles sont confirmées, comme prévu, les astronomes auront du pain sur la planche pour les expliquer et mettre à jour leurs modèles de formation de galaxies.
Mais c’est une bonne chose, selon Zavala. Lorsque les scientifiques sont obligés de mettre à jour leurs modèles en raison de nouvelles preuves, notre compréhension se développe. Ce travail montre comment ALMA et le JWST peuvent travailler en tandem pour faire progresser nos connaissances. “Nous concluons qu’ALMA et JWST sont hautement synergiques et, ensemble, ils devraient révolutionner notre compréhension de la formation et de l’évolution des premières galaxies”, concluent les auteurs dans leur article.
“Ces observations ALMA profondes fournissent des preuves solides de l’existence de galaxies au cours des premières centaines de millions d’années après le Big Bang et confirment les résultats surprenants des observations de Webb”, a déclaré Zavala. “Le travail du JWST vient à peine de commencer, mais nous ajustons déjà nos modèles de formation des galaxies dans l’Univers primitif pour correspondre à ces observations. La puissance combinée de Webb et du réseau de radiotélescopes ALMA nous donne la confiance nécessaire pour pousser nos horizons cosmiques toujours plus près de l’aube de l’Univers.
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