Les astronomes trouvent la galaxie la plus éloignée à l'aide du télescope spatial James Webb

30 mai 2024

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par Peter Edmonds, Centre d'Astrophysique Harvard-Smithsonian

Une équipe internationale d'astronomes a annoncé aujourd'hui la découverte des deux galaxies les plus anciennes et les plus éloignées jamais observées, remontant à seulement 300 millions d'années après le Big Bang. Ces résultats, obtenus grâce au télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA, marquent une étape majeure dans l'étude de l'univers primitif.

Les découvertes ont été faites par l'équipe de la recherche avancée en astrophysique extragalactique (JADES) du JWST. Daniel Eisenstein du Centre d'Astrophysique | Harvard & Smithsonian (CfA) est l'un des chefs d'équipe de JADES et l'investigateur principal du programme d'observation qui a révélé ces galaxies. Ben Johnson et Phillip Cargile, tous deux chercheurs au CfA, et Zihao Wu, étudiant en doctorat à Harvard au CfA, ont également joué des rôles importants.

En raison de l'expansion de l'univers, la lumière des galaxies lointaines s'étire vers des longueurs d'onde plus longues lors de son voyage. Cet effet est si extrême pour ces deux galaxies que leur lumière ultraviolette est décalée vers des longueurs d'onde infrarouges où seul le JWST peut la voir. Comme la lumière met du temps à voyager, les galaxies plus éloignées sont également vues comme elles étaient plus tôt dans le temps.

Les deux galaxies record sont appelées JADES-GS-z14-0 et JADES-GS-z14-1, la première étant la plus éloignée des deux. En plus d'être le nouveau détenteur du record de distance, JADES-GS-z14-0 est remarquable par sa taille et sa luminosité.

'La taille de la galaxie prouve clairement que la plupart de la lumière est produite par un grand nombre d'étoiles jeunes', a déclaré Eisenstein, professeur à Harvard et président du département d'astronomie, 'plutôt que par la matière tombant sur un trou noir supermassif au centre de la galaxie, qui apparaîtrait beaucoup plus petit.'

L'association de la luminosité extrême et du fait que ce sont des étoiles jeunes qui alimentent cette haute luminosité fait de JADES-GS-z14-0 la preuve la plus frappante jamais trouvée de la formation rapide de grandes galaxies massives dans l'univers primitif.

'JADES-GS-z14-0 devient maintenant l'archétype de ce phénomène', déclare le Dr Stefano Carniani de la Scuola Normale Superiore à Pise, auteur principal de l'article sur la découverte. 'Il est étonnant que l'univers puisse créer une telle galaxie en seulement 300 millions d'années.'

Des preuves de galaxies précoces étonnamment vigoureuses sont apparues même dans les premières images du JWST et se sont accumulées au cours des deux premières années de la mission. Cette tendance va à l'encontre des attentes que la plupart des astronomes avaient avant le lancement du JWST quant à la théorie de la formation des galaxies.

JADES-GS-z14-0 était un casse-tête pour l'équipe de JADES lorsqu'ils l'ont repéré pour la première fois il y a plus d'un an, car elle semble assez proche dans le ciel d'une galaxie au premier plan pour que l'équipe ne puisse pas être sûre que les deux ne sont pas voisines. Mais en octobre 2023, l'équipe de JADES a réalisé des images encore plus profondes - cinq jours entiers avec la caméra infrarouge proche du JWST sur un seul champ - et a utilisé des filtres conçus pour mieux isoler les premières galaxies.

'Nous ne voyions aucune façon plausible d'expliquer cette galaxie comme étant simplement une voisine de la galaxie plus proche', déclare le Dr Kevin Hainline, professeur de recherche à l'Université de l'Arizona.

La galaxie est située dans un champ où l'instrument infrarouge moyen du JWST avait réalisé une observation ultra-profonde. Sa luminosité à des longueurs d'onde infrarouges intermédiaires est le signe d'une émission d'atomes d'hydrogène et même d'oxygène dans l'univers primitif.

'Malgré sa jeunesse, la galaxie est déjà en train de créer les éléments qui nous sont familiers sur Terre', a déclaré Zihao Wu, co-auteur d'un deuxième article sur cette découverte, dirigé par Jakob Helton, étudiant en doctorat à l'Université de l'Arizona.

Fort de cela, l'équipe a ensuite obtenu un spectre de chaque galaxie, et a confirmé leurs espoirs que JADES-GS-z14-0 était bien une galaxie record et que la candidate plus faible, JADES-GS-z14-1, était presque aussi éloignée.

Un troisième article dirigé par Brant Robertson, professeur à l'Université de Californie-Santa Cruz, et Ben Johnson, étudie l'évolution de cette population précoce de galaxies.

'Cet objet étonnant montre que la formation des galaxies dans l'univers primitif est très rapide et intense', a déclaré Johnson, 'et le JWST nous permettra de trouver plus de ces galaxies, peut-être lorsque l'univers était encore plus jeune. C'est une merveilleuse opportunité d'étudier comment les galaxies se forment.'

Les trois articles sont actuellement disponibles sur le serveur de prépublication arXiv.

Plus d'information: Une aube cosmique radieuse: confirmation spectroscopique de deux galaxies lumineuses à z∼14, arXiv:2405.18485 [astro-ph.GA]

JWST/MIRI photometric detection at 7.7 μm of the stellar continuum and nebular emission in a galaxy at z>14, arXiv:2405.18462 [astro-ph.GA] arxiv.org/abs/2405.18462

Journal information: arXiv

Provided by Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics