Vue d’artiste du télescope spatial James Webb NASA/ESA/CSA. Crédit : ESA, NASA, S. Beckwith (STScI) et l’équipe HUDF, Northrop Grumman Aerospace Systems / STScI / ATG medialab
Certains ont appelé Nasa‘s Télescope spatial James Webb les “télescope qui a mangé l’astronomie. ” C’est le télescope spatial le plus puissant jamais construit et une pièce complexe d’origami mécanique qui a repoussé les limites de l’ingénierie humaine. Le 22 décembre 2021, après des années de retards et des milliards de dollars de dépassements de coûts, le télescope devrait se lancer en orbite et inaugurer la prochaine ère de l’astronomie.
je suis un astronome avec une spécialité en cosmologie observationnelle – j’étudie les galaxies lointaines depuis 30 ans. Certaines des plus grandes questions sans réponse sur l’univers concernent ses premières années juste après le Big Bang. Quand se sont formées les premières étoiles et galaxies ? Lequel est arrivé en premier et pourquoi ? Je suis incroyablement excité que les astronomes puissent bientôt découvrir l’histoire de la façon dont les galaxies ont commencé parce que James Webb a été spécialement conçu pour répondre à ces questions.
L’Univers a traversé une période connue sous le nom d’âge des ténèbres avant que les étoiles ou les galaxies n’émettent de lumière. Crédit : STScI
Les « âges sombres » de l’univers
D’excellentes preuves montrent que l’univers a commencé avec un événement appelé Big Bang il y a 13,8 milliards d’années, qui l’a laissé dans un état ultra-chaud et ultra-dense. L’univers a immédiatement commencé à s’étendre après le Big Bang, se refroidissant ainsi. Une seconde après le Big Bang, l’univers mesurait cent mille milliards de kilomètres de diamètre avec une température moyenne incroyable de 18 milliards de degrés F (10 milliards de degrés Celsius). Environ 400 000 ans après le Big Bang, l’univers mesurait 10 millions d’années-lumière et le la température s’était refroidie à 5 500 F (3 000 C). Si quelqu’un avait été là pour le voir à ce stade, l’univers aurait brillé d’un rouge terne comme une lampe chauffante géante.
Pendant tout ce temps, l’espace était rempli d’une soupe onctueuse de particules de haute énergie, de rayonnement, d’hydrogène et d’hélium. Il n’y avait pas de structure. Au fur et à mesure que l’univers en expansion est devenu plus grand et plus froid, la soupe s’est éclaircie et tout est devenu noir. Ce fut le début de ce que les astronomes appellent le Temps sombres de l’univers.
La soupe de l’âge des ténèbres était pas parfaitement uniforme et en raison de la gravité, de minuscules zones de gaz ont commencé à s’agglomérer et à devenir plus denses. L’univers lisse est devenu grumeleux et ces petits amas de gaz plus dense étaient les graines de la formation éventuelle d’étoiles, de galaxies et de tout le reste de l’univers.
Bien qu’il n’y avait rien à voir, l’âge des ténèbres était une phase importante dans l’évolution de l’univers.
La lumière de l’univers primitif est dans la longueur d’onde infrarouge – c’est-à-dire plus longue que la lumière rouge – lorsqu’elle atteint la Terre. Crédit : Inductiveload/NASA
À la recherche de la première lumière
L’âge des ténèbres a pris fin lorsque la gravité a formé les premières étoiles et galaxies qui ont finalement commencé à émettre la première lumière. Bien que les astronomes ne sachent pas quand la première lumière s’est produite, la meilleure supposition est que c’était plusieurs centaines de millions d’années après le Big Bang. Les astronomes ne savent pas non plus si les étoiles ou les galaxies se sont formées en premier.
Théories actuelles sur la base de la façon dont la gravité forme la structure dans un univers dominé par la matière noire, suggèrent que de petits objets – comme les étoiles et les amas d’étoiles – se sont probablement formés en premier, puis sont devenus plus tard des galaxies naines, puis des galaxies plus grandes comme la voie Lactée. Ces premières étoiles de l’univers étaient des objets extrêmes par rapport aux étoiles d’aujourd’hui. Ils étaient un million de fois plus lumineux mais ils ont vécu des vies très courtes. Ils brûlaient très fort et lorsqu’ils sont morts, ils ont laissé derrière eux des trous noirs jusqu’à cent fois la masse du Soleil, ce qui pourrait avoir a agi comme les graines de la formation des galaxies.
Cette illustration d’artiste représente les capacités scientifiques du télescope spatial James Webb de la NASA. L’imagerie et la spectroscopie seront au cœur de la mission Webb. Crédit : NASA, ESA et A. Feild (STScI)
Les astronomes aimeraient étudier cette ère fascinante et importante de l’univers, mais détecter la première lumière est incroyablement difficile. Comparés aux galaxies massives et brillantes d’aujourd’hui, les premiers objets étaient très petits et en raison de l’expansion constante de l’univers, ils se trouvent maintenant à des dizaines de milliards d’années-lumière de la Terre. De plus, les premières étoiles étaient entourées de gaz résiduel de leur formation et ce gaz agissait comme un brouillard qui absorbait la majeure partie de la lumière. Il a fallu plusieurs centaines de millions d’années pour rayonnement pour chasser le brouillard. Cette lumière précoce est très faible au moment où elle arrive sur Terre.
Mais ce n’est pas le seul défi.
Au fur et à mesure que l’univers s’étend, il étend continuellement la longueur d’onde de la lumière qui le traverse. C’est appelé décalage vers le rouge car il déplace la lumière des longueurs d’onde plus courtes – comme la lumière bleue ou blanche – vers des longueurs d’onde plus longues comme la lumière rouge ou infrarouge. Bien qu’il ne s’agisse pas d’une analogie parfaite, cela ressemble à la façon dont, lorsqu’une voiture passe devant vous, la hauteur de tous les sons qu’elle émet diminue sensiblement.
Semblable à la façon dont la hauteur d’un son diminue si la source s’éloigne de vous, la longueur d’onde de la lumière s’étire en raison de l’expansion de l’univers.
Au moment où la lumière émise par une étoile ou une galaxie primitive il y a 13 milliards d’années atteint n’importe quel télescope sur Terre, elle a été étirée d’un facteur 10 par l’expansion de l’univers. Il arrive sous forme de lumière infrarouge, ce qui signifie qu’il a une longueur d’onde plus longue que celle de la lumière rouge. Pour voir la première lumière, vous devez rechercher la lumière infrarouge.
Le télescope comme machine à remonter le temps
Entrez dans le télescope spatial James Webb.
Les télescopes sont comme des machines à remonter le temps. Si un objet se trouve à 10 000 années-lumière, cela signifie que la lumière met 10 000 ans pour atteindre la Terre. Ainsi, plus les astronomes regardent loin dans l’espace, plus plus loin dans le temps, nous cherchons.
Le télescope spatial James Webb a été spécialement conçu pour détecter les plus anciennes galaxies de l’univers. Crédit : NASA/Desiree Stover
Ingénieurs James Webb optimisé pour détecter spécifiquement la faible lumière infrarouge des premières étoiles ou galaxies. Par rapport au Le télescope spatial Hubble, James Webb a un champ de vision 15 fois plus large sur sa caméra, recueille six fois plus de lumière et ses capteurs sont réglés pour être les plus sensibles à la lumière infrarouge.
La stratégie consistera à regarder profondément une partie du ciel pendant une longue période, en collectant autant de lumière et d’informations que possible des galaxies les plus éloignées et les plus anciennes. Avec ces données, il sera peut-être possible de répondre quand et comment l’âge des ténèbres s’est terminé, mais il y a beaucoup d’autres découvertes importantes à faire. Par exemple, démêler cette histoire peut aussi aider à expliquer la nature de la matière noire, la forme mystérieuse de la matière qui constitue environ 80% de la masse de l’univers.
James Webb est la mission la plus difficile techniquement que la NASA ait jamais tentée. Mais je pense que les questions scientifiques auxquelles il peut aider à répondre vaudront chaque once d’effort. Moi et d’autres astronomes attendons avec impatience que les données commencent à revenir dans le courant de 2022.
Écrit par Chris Impey, professeur émérite d’astronomie à l’Université d’Arizona.
Cet article a été publié pour la première fois dans La conversation.
