La découverte de galaxies ultramassives inattendues peut ne pas réécrire la cosmologie, mais soulève néanmoins des questions.

13 février 2024

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par Emily Howard, Université du Texas à Austin

Depuis que le télescope spatial James Webb (JWST) a capturé son premier aperçu de l'univers primitif, les astronomes ont été surpris par la présence de ce qui semble être plus de galaxies « ultramasives » que prévu. Selon le modèle cosmologique le plus largement accepté, elles n'auraient pas dû pouvoir évoluer avant beaucoup plus tard dans l'histoire de l'univers, ce qui a suscité des revendications selon lesquelles le modèle doit être modifié.

Cela bouleverserait des décennies de science établie.

« Le développement des objets dans l'univers est hiérarchique. On part du petit et on devient de plus en plus grand », explique Julian Muñoz, professeur adjoint d'astronomie à l'Université du Texas à Austin et co-auteur d'une étude récente publiée dans Physical Review Letters qui teste des modifications du modèle cosmologique. L'étude conclut que réviser le modèle cosmologique standard n'est pas nécessaire. Cependant, les astronomes devront peut-être revoir ce qu'ils comprennent de la formation et de l'évolution des premières galaxies.

La cosmologie étudie l'origine, l'évolution et la structure de notre univers, du Big Bang à nos jours. Le modèle cosmologique le plus largement accepté s'appelle le modèle Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM) ou le « modèle cosmologique standard ». Bien que le modèle soit très bien informé, une grande partie de l'univers primitif est restée théorique car les astronomes ne pouvaient pas l'observer complètement, voire pas du tout.

Lancé en 1990, le télescope spatial Hubble a joué un rôle crucial dans le développement et le perfectionnement du modèle cosmologique standard. Il observe l'univers dans les longueurs d'onde ultraviolettes, visibles et certaines longueurs d'onde proches de l'infrarouge. Cependant, cela lui permet de mieux voir certaines choses que d'autres. Par exemple, Hubble est bien équipé pour observer les petites galaxies qui contiennent souvent des populations plus importantes d'étoiles jeunes émettant de l'ultraviolet et moins de poussière qui a tendance à absorber les longueurs d'onde plus courtes.

Lancé fin 2021, JWST est un complément important aux capacités de Hubble. En observant les longueurs d'onde du proche et moyen infrarouge, JWST peut détecter des objets invisibles pour Hubble.

« Nous ouvrons une fenêtre sur l'inconnu », déclare Muñoz. « Nous sommes maintenant capables de tester nos théories sur l'univers là où nous n'étions pas capables de le faire auparavant. »

Peu après le Big Bang, les choses n'étaient pas parfaitement uniformes. De légères variations de densité ont eu un impact considérable sur la structure et l'évolution futures de l'univers. Les régions de densité plus élevée ont attiré plus de matière en raison de la gravité, conduisant finalement à la formation de structures de plus en plus grandes.

Pour devenir si grandes si rapidement, les galaxies ultramassives observées par JWST ne seraient théoriquement possibles que si davantage de ces régions de densité plus élevée s'étaient développées juste après le Big Bang. Cela nécessiterait de modifier le modèle cosmologique standard.

Muñoz et son équipe ont testé cette hypothèse.

Ils ont choisi une période cosmique pour laquelle des observations à la fois de JWST et de Hubble sont disponibles. Dans cette plage, ils ont identifié les galaxies les plus massives disponibles dans les données de JWST et calculé la quantité de changement de densité précoce de l'univers nécessaire pour qu'elles se forment.

Ils ont également calculé combien de galaxies plus petites résulteraient de ce changement hypothétique. Ces galaxies plus petites supplémentaires auraient été observées par Hubble.

« Mais ce n'est pas ce que nous voyons », explique Muñoz. « On ne peut pas changer la cosmologie suffisamment pour expliquer ce problème d'abondance, étant donné que les observations de Hubble seraient également affectées. »

Alors pourquoi JWST trouve-t-il autant de galaxies ultramassives ? Une possibilité est qu'elles contiennent des trous noirs supermassifs. Ces trous noirs chaufferaient le gaz environnant, faisant apparaître les galaxies plus lumineuses et donc plus massives qu'elles ne le sont réellement. Ou les galaxies ne seraient peut-être pas réellement dans l'univers primitif, mais elles semblent l'être parce que la poussière fait paraître leur couleur plus rouge qu'elle ne le serait autrement. Ce décalage ferait paraître les galaxies plus éloignées qu'elles ne le sont.

Outre Muñoz, les auteurs de l'étude sont Nashwan Sabti et Marc Kamionkowski de l'université Johns Hopkins.

Informations sur la revue : Physical Review Letters , arXiv

Provided by University of Texas at Austin