Les galaxies encadrées en jaune font partie de celles étudiées par l'équipe de l'Observatoire de Genève Les scientifiques de toute la planète ont analysé les premières données récoltées par le télescope spatial James Webb dévoilées le 12 juillet. Une équipe genevoise montre que les galaxies les plus anciennes sont bien plus évoluées que ce que les modèles prévoyaient. Et c'est une surprise!
Des scientifiques de l'Observatoire de Genève ont scruté une centaine de très vieilles galaxies repérées sur les images prises par le télescope spatial James Webb (JWST). Des galaxies si proches de l'époque du Big Bang, événement fondateur qui a eu lieu il y a 13,8 milliards d'années…
Pour la première fois, l'équipe a identifié la composition chimique de deux d'entre elles, visibles entre 600 et 700 millions d'années après le Big Bang – celles encadrées de jaune sur l'image en tête d'article. Leur étude a été prépubliée sur le site arXiv, afin d'être disponible pour la communauté scientifique.
"La première surprise, c'est la signature spectaculaire d'oxygène dans les toute premières observations du JWST", note, enthousiaste, le premier auteur de l'étude, Daniel Schaerer, de l'Observatoire de Genève. "Les données montrent que ces lointaines galaxies sont déjà bien plus évoluées que ce que prévoyaient des modèles astrophysiques générés par ordinateur", ajoute-t-il en répondant par téléphone à RTSinfo.
Les scientifiques sont ravis de cette découverte inattendue. Du jamais observé – Hubble ne pouvait pas mesurer des spectres de galaxies aussi lointaines – qui a été possible grâce aux instruments de spectrographie formidablement performants embarqués sur le JWST, dont l'instrument NIRSpec (lire encadré). Celui-ci mesure le décalage spectral de l'objet visé: le spectre obtenu donne des informations sur l'âge et la composition chimiques des galaxies.
La première spectroscopie de la composition d'une galaxie lointaine donnée par l'instrument NIRSpec se trouvant sur le télescope spatial James Webb. [NIRSpec Emission Spectrum/JWST - NASA, ESA, CSA, STScI]Le même spectre en version plus scientifique, utilisé dans l'étude publiée:
Le spectre d'une galaxie obtenu avec NIRSpec. Les lignes traitillées verticales marquent la position des lignes d'émission nébulaire bien détectées. [Daniel Schaerer et al., 22 juillet 2022 - Astronomy & Astrophysics]Une histoire de chimie
Les éléments chimiques les plus répandus dans l'Univers – les plus légers et les plus simples aussi – sont l'hydrogène et l'hélium: "Lorsque ces gaz fusionnent à l'intérieur des étoiles, ils finissent par produire des éléments plus complexes – et plus lourds – comme le carbone, l'azote, l'oxygène ou le néon", explique le professeur Schaerer.
Ces éléments-ci, les scientifiques ne les attendaient pas déjà quelque 600 millions d'années après le Big Bang: "Dans une galaxie peu évoluée, il n'y a pas encore eu beaucoup de générations d'étoiles… et ce sont celles qui sont massives qui produisent les éléments chimiques lourds. Elles les éjectent: l'oxygène produit, par exemple, va ensuite dans la prochaine génération d'étoiles".
"A cette époque extrêmement lointaine, jamais la composition chimique n'avait été mesurée!", souligne l'astrophysicien. "De plus, l'abondance d'oxygène – environ dix fois moins que dans le Soleil – montre que la matière a été recyclée très rapidement. Ces galaxies évoluent très vite en donnant la vie à beaucoup d'étoiles. Des astres qui ont une durée de vie très courte: c'est ainsi qu'elles produisent de l'oxygène".
Une évolution à éclaircir
Désormais, les scientifiques vont devoir s'atteler à comprendre comment la composition chimique de ces lointaines galaxies évolue et à quelle vitesse les différents éléments chimiques plus lourds apparaissent.
"Les éléments lourds sont un signe de production par les étoiles. Lorsque l'on voit du carbone, de l'azote, de l'oxygène, on sait qu'il y a eu une grande activité stellaire. Une étoile comme notre Soleil, de faible masse, vit neuf milliards d'années: il évolue lentement. Il a donc peu d'effets sur la composition chimique de sa galaxie", indique encore Daniel Schaerer.
"Ce sont les étoiles à durée de vie courte qui produisent de l'oxygène. Et il en faut beaucoup pour lancer un nouveau cycle de génération d'étoiles".
Les spectres d'émission de différents gaz (lire légende):
La spectroscopie permet d'identifier les éléments chimiques dans les atmosphères de planètes, ainsi que les minéraux à leur surface, de déterminer de quoi sont faites les étoiles et à quelle vitesse elles tournent, de détecter et de caractériser les mondes en orbite autour d'étoiles lointaines, de mesurer la température, la densité et la vitesse des gaz au centre d'une galaxie active.
Photographie des spectres d'émission de divers gaz mesurés dans un laboratoire. Ces lignes colorées sont en quelque sorte leur signature. Dans les années 1850, les scientifiques ont découvert que divers éléments émettent des motifs lumineux distincts lorsqu'ils sont chauffés dans une flamme. Ils ont remarqué que les motifs des éléments connus étudiés en laboratoire correspondent aux motifs observés dans les lignes d'absorption du Soleil. [M. Richmond, RIT - NASA]
Cette technique permet aussi de déduire la présence de trous noirs et de matière noire, de démêler les interactions entre des galaxies en collision et d'aider à calculer le taux d'expansion et l'âge de l'Univers.
A noter que le télescope le JWST possède plusieurs instruments capables de faire de la spectroscopie. En plus de NIRSpec, il y a NIRISS, NIRCam et MIRI. Tous travaillent dans différentes longueurs d'ondes.
Stéphanie Jaquet
