James Webb Space Telescope, données : 2024 juillet / décembre
Webb découvre une galaxie primitive de formation d’étoiles légère
ESA 2024 12 11
Pour la première fois, le télescope spatial James Webb de la NASA/ESA/CSA a détecté et « pesé » une galaxie de l’Univers primitif dont la masse est similaire à celle de notre galaxie, la Voie lactée, au même stade de développement. Découverte environ 600 millions d’années après le Big Bang, cette galaxie légère, surnommée Firefly Sparkle, scintille d’amas d’étoiles (10 au total) que les chercheurs ont examinés en détail. D’autres galaxies détectées par Webb à cette période de l’histoire de l’Univers sont nettement plus massives.
Des milliers de galaxies scintillantes sont liées entre elles par leur propre gravité, constituant un amas massif officiellement classé sous le nom de MACS J1423.
Le plus grand ovale blanc brillant est une galaxie elliptique supergéante qui est le membre dominant de cet amas de galaxies. L’amas de galaxies agit comme une lentille, grossissant et déformant la lumière des objets qui se trouvent bien derrière lui, un effet connu sous le nom de lentille gravitationnelle qui présente de grands avantages pour la recherche. Les astronomes peuvent étudier en détail les galaxies à lentille, comme la galaxie Firefly Sparkle.
Cette image de 2023 provient de la NIRCam (Near-InfraRed Camera) du télescope spatial James Webb de la NASA/ESA/CSA. Les chercheurs ont utilisé Webb pour étudier le même champ que celui que le télescope spatial Hubble de la NASA/ESA a photographié en 2010. Grâce à sa spécialisation dans l’imagerie haute résolution dans le proche infrarouge, Webb a pu montrer aux chercheurs beaucoup plus de galaxies avec beaucoup plus de détails.
Description de l’image : Des milliers d’objets superposés à différentes distances sont répartis dans ce champ, notamment des galaxies dans un amas de galaxies massif et des galaxies d’arrière-plan déformées derrière l’amas de galaxies. L’arrière-plan de l’espace est noir.
« Je ne pensais pas qu’il serait possible de décomposer une galaxie qui existait si tôt dans l’Univers en autant de composants distincts, et encore moins de découvrir que sa masse était similaire à celle de notre propre galaxie lorsqu’elle était en train de se former », a déclaré Lamiya Mowla, co-auteur principal de l’article et professeur adjoint au Wellesley College dans le Massachusetts. « Il se passe tellement de choses à l’intérieur de cette minuscule galaxie, y compris de nombreuses phases différentes de formation d’étoiles ».
Webb a pu photographier la galaxie avec suffisamment de détails pour deux raisons. L’une est un avantage du cosmos : un amas de galaxies massif au premier plan a radicalement amélioré l’apparence de la galaxie lointaine grâce à un effet naturel connu sous le nom de lentille gravitationnelle. Et lorsqu’il est combiné avec la puissance du télescope en matière d’imagerie haute résolution de la lumière infrarouge, Webb a fourni de nouvelles données sans précédent sur le contenu de la galaxie.
« Sans l’avantage de cette lentille gravitationnelle, nous ne serions pas en mesure de voir cette galaxie avec autant de détails », a déclaré Kartheik Iyer, co-auteur principal et NASA Hubble Fellow à l’Université Columbia à New York. « Nous savions que nous devions nous y attendre en nous basant sur les données actuelles de la physique, mais il est surprenant que nous l’ayons réellement vue ».
Lamiya, qui a repéré la galaxie sur l’image de Webb, a été attirée par ses amas d’étoiles scintillants, car les objets qui scintillent indiquent généralement qu’ils sont extrêmement groupés et complexes. Comme la galaxie ressemble à une « étincelle » ou à un essaim de lucioles lors d’une chaude nuit d’été, ils l’ont appelée la galaxie Firefly Sparkle.
Pour la première fois, des astronomes ont identifié une galaxie en cours de formation qui pèse à peu près le même poids que notre Voie Lactée si nous pouvions remonter le temps pour observer notre galaxie en train de se développer. La galaxie nouvellement identifiée, la Firefly Sparkle, est en train d’assembler et de former des étoiles, et existait environ 600 millions d’années après le Big Bang.
L’image de la galaxie est étirée et déformée par un effet naturel connu sous le nom de lentille gravitationnelle, qui a permis aux chercheurs de recueillir beaucoup plus d’informations sur son contenu. (Dans certaines zones de l’image de Webb, la galaxie est agrandie plus de 40 fois.)
Pendant qu’elle prenait forme, la galaxie brillait d’amas d’étoiles dans une gamme de couleurs infrarouges, qui sont scientifiquement significatives. Elles indiquent que les étoiles se sont formées à des périodes différentes, pas toutes en même temps.
Comme l’image de la galaxie est étirée en une longue ligne dans les observations de Webb, les chercheurs ont pu identifier 10 amas d’étoiles distincts et les étudier individuellement, ainsi que le cocon de lumière diffuse des étoiles supplémentaires non résolues qui les entourent. Ce n’est pas toujours possible pour les galaxies lointaines qui ne sont pas focalisées par des lentilles. Au lieu de cela, dans de nombreux cas, les chercheurs ne peuvent tirer que des conclusions qui s’appliquent à une galaxie entière. « La plupart des autres galaxies que Webb nous a montrées ne sont ni agrandies ni étirées et nous ne sommes pas en mesure de voir les « blocs de construction » séparément. Avec Firefly Sparkle, nous assistons à l’assemblage d’une galaxie brique par brique », explique l’astronome Lamiya Mowla, professeure adjointe au Wellesley College dans le Massachusetts.
Deux galaxies compagnes « planent » à proximité, ce qui pourrait finalement affecter la façon dont cette galaxie se forme et construit sa masse sur des milliards d’années. Firefly Sparkle n’est qu’à environ 6 500 années-lumière de sa première compagne et à 42 000 années-lumière de sa deuxième compagne. Comparons ces chiffres à des objets plus proches de nous : le Soleil se trouve à environ 26 000 années-lumière du centre de notre galaxie, la Voie lactée, et celle-ci mesure environ 100 000 années-lumière de diamètre. Non seulement les compagnons de Firefly Sparkle sont très proches, mais les chercheurs soupçonnent également qu’ils sont en orbite l’un autour de l’autre.
Description de l’image : Division horizontale au milieu. À gauche, des milliers d’objets superposés à différentes distances sont répartis dans cet amas de galaxies. Un cadre en bas à droite est agrandi sur la moitié droite. Un ovale central identifie la galaxie Firefly Sparkle, une ligne avec 10 points de différentes couleurs.
Reconstitution de l’apparence de la galaxie
L’équipe de recherche a modélisé à quoi la galaxie aurait pu ressembler si son image n’avait pas été étirée par l’effet de lentille gravitationnelle et a découvert qu’elle ressemblait à une goutte de pluie allongée. En son sein sont suspendus deux amas d’étoiles vers le haut et huit vers le bas. « Notre reconstruction montre que des amas d’étoiles en formation active sont entourés de lumière diffuse provenant d’autres étoiles non résolues », a déclaré Kartheik. « Cette galaxie est littéralement en train de s’assembler ».
Les données de Webb montrent que la galaxie Firefly Sparkle est plutôt petite, tombant dans la catégorie des galaxies de faible masse. Des milliards d’années s’écouleront avant qu’elle atteigne sa pleine masse et une forme distincte. « La plupart des autres galaxies que Webb nous a montrées ne sont ni agrandies ni étirées, et nous ne sommes pas en mesure de voir leurs « blocs de construction » séparément. « Avec Firefly Sparkle, nous sommes témoins de l’assemblage d’une galaxie brique par brique », a déclaré Lamiya.
Étendue et brillante, prête à être analysée de près
Étant donné que l’image de la galaxie est déformée en un long arc, les chercheurs ont facilement identifié 10 amas d’étoiles distincts, qui émettent la majeure partie de la lumière de la galaxie. Ils sont représentés ici dans des tons de rose, de violet et de bleu. Ces couleurs dans les images de Webb et les spectres qui les soutiennent ont confirmé que la formation d’étoiles ne s’est pas produite en une seule fois dans cette galaxie, mais qu’elle a été décalée dans le temps.
« Cette galaxie possède une collection diversifiée d’amas d’étoiles, et il est remarquable que nous puissions les voir séparément à un âge aussi précoce de l’Univers », a déclaré Chris Willott du Conseil national de recherches du Canada, co-auteur et chercheur principal du programme d’observation. « Chaque amas d’étoiles est à un stade différent de formation ou d’évolution ».
La forme projetée de la galaxie montre que ses étoiles ne se sont pas installées dans un renflement central ou un disque fin et aplati, un autre élément de preuve que la galaxie est toujours en formation.
Des compagnons « brillants »
Les chercheurs ne peuvent pas prédire comment cette galaxie désorganisée se développera et prendra forme au cours des milliards d’années, mais l’équipe a confirmé que deux galaxies « traînaient » à proximité d’elle et qu’elles pourraient influencer la façon dont Firefly Sparkle génère de la masse au cours des milliards d’années.
Firefly Sparkle n’est qu’à 6.500 années-lumière de son premier compagnon, et son deuxième compagnon est séparé de 42.000 années-lumière. Pour mettre les choses en contexte, la Voie lactée entièrement formée mesure environ 100.000 années-lumière de diamètre, les trois pourraient y tenir. Non seulement ses compagnons sont très proches, mais les chercheurs pensent également qu’ils sont en orbite l’un autour de l’autre.
Chaque fois qu’une galaxie en croise une autre, le gaz se condense et se refroidit, ce qui permet à de nouvelles étoiles de se former en amas. « On prédit depuis longtemps que les galaxies de l’Univers primitif se forment par le biais d’interactions et de fusions successives avec d’autres galaxies plus petites », a déclaré Yoshihisa Asada, co-auteur et doctorant à l’Université de Kyoto au Japon. « Nous pourrions être témoins de ce processus en action ».
« Ce n’est que la première des nombreuses galaxies de ce type que le JWST va découvrir, car nous commençons seulement à utiliser ces microscopes cosmiques », a ajouté Maruša Bradač, membre de l’équipe de l’Université de Ljubljana en Slovénie. « Tout comme les microscopes nous permettent de voir les grains de pollen des plantes, l’incroyable résolution de Webb et le pouvoir grossissant des lentilles gravitationnelles nous permettent de voir les petits morceaux à l’intérieur des galaxies. Notre équipe analyse actuellement toutes les galaxies primitives, et les résultats vont tous dans la même direction : nous devons encore en apprendre beaucoup plus sur la façon dont ces premières galaxies se sont formées ».
Les recherches de l’équipe se sont appuyées sur les données du Canadian NIRISS Unbiased Cluster Survey de Webb, qui comprend des images dans le proche infrarouge de la NIRCam (Near-InfraRed Camera) et des spectres du réseau de micro-obturateurs à bord du NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph). Les données CANUCS ont intentionnellement couvert un champ que le télescope spatial Hubble de la NASA/ESA a photographié dans le cadre de son programme Cluster Lensing And Supernova Survey with Hubble.
Ce travail est publié dans la revue Nature
Traduction : Olivier Sabbagh