Astrophysique et Cosmologie

Les découvertes récentes (I)

Avec l'avènement de l'astronomie spatiale et la construction de grands télescopes de plus de 8 mètres d'ouverture équipés d'instruments toujours plus sophistiqués (CCD de gigapixels, optique adaptative, spectrographe à champ intégral, etc), les astrophysiciens ont eu l'opportunité d'étudier l'univers à travers tout le spectre des rayonnements, des ondes radio aux rayons X et gamma en passant par les bandes UV, visible et l'infrarouge notamment.

Si certaines observations ont renforcé les théories, d'autres ont forcé les astronomes à revoir leurs théories et parfois les modèles existants.

Devant l'accumulation des découvertes parfois en désaccord avec les hypothèses de travail ou contredisant d'autres théories, les astrophysiciens ont bien dû constater que l'univers était loin d'être le lieu sombre et figé pour l'éternité qu'on imaginait encore au milieu du XX^e siècle.

Les astrophysiciens ont découvert que non seulement l'univers est peuplé d'une grande variété d'astres plus ou moins calmes ou turbulents dont on commence seulement à comprendre l'évolution mais également des substances a priori inconnues comme la matière sombre.

Ce sont quelques-unes de ces découvertes récentes faites en astrophysique mais dont certaines ont des implications en cosmologie, que nous allons décrire. Certaines d'entre elles feront probablement l'objet de nouveaux articles dès que le sujet se sera étoffé, d'autres ayant déjà été incorporées dans différents articles. En complément, un article a été consacré aux découvertes de Gaia concernant la Voie Lactée et à la découverte des galaxies les plus lointaines.

Précisons que toutes les distances mentionnées dans cet article déduites des décalages Doppler (z) correspondent à la distance propre ou temps de regard, il ne s'agit donc pas des distances réelles dites comobiles radiales de ces galaxies aujourd'hui.

B2 0402+379, la paire de trous noirs supermassifs la plus rapprochée

Dans un article publié dans "The Astrophysical Journal" en 2024, Tirth Surti, doctorant en physique à l'Université de Stanford et ses collègues ont annoncé la découverte d'un trou noir supermassif binaire pesant l'équivalent de 28 milliards de masses solaires. La masse combinée des deux trous noirs est si élevée qu'elle empêche les deux astres d'entrer en collision et de fusionner (merger).

Ce trou noir supermassif binaire est situé au coeur de la radiogalaxie géante B2 0402+379 alias 4C +37.11, une galaxie elliptique "fossile" située dans la constellation de Persée à 750 millions d'années-lumière qui fut observée pour la première fois en 2003 et 2005 grâce au VLBA. Cette galaxie se forma lorsqu'un amas de galaxies entier fusionna en une galaxie géante.

Les deux trous noirs orbitent l'un autour de l'autre à seulement 24 années-lumière de distance, ce qui en fait la paire de trous noirs supermassifs la plus rapprochée observée à ce jour. Leur période orbitale est de 30000 ans. On reviendra sur les trous noirs supermassifs binaires.

Comment une galaxie peut-elle posséder deux trous noirs supermassifs ? L'existence simultanée de deux trous noirs supermassifs indique que la galaxie a déjà subi une fusion dans un passé relativement récent. En effet, lorsque deux galaxies fusionnent, chacune contenant un trou noir supermassif, avec le temps, ces deux trous noirs finissent par fusionner en un seul objet. Dans le cas de B2 0402+379, s'il y a fusion, elle ne se produira probablement pas avant plusieurs millions d'années. C'est le temps qu'il faut aux orbites des deux trous noirs supermassifs pour se reserrer en perdant de l'énergie par rayonnement gravitationnel (sous forme d'ondes gravitationnelles).

Sachant que les fusions de galaxies sont courantes, de telles paires de trous noirs supermassifs devraient également être assez courantes, bien que les astronomes n'en ont pas découvert beaucoup. Mais le fait d'avoir pu mesurer le mouvement orbital de l'une de ces paires, encourage les astronomes à rechercher d'autres paires similaires.

Selon Roger Romani, professeur de physique à l'Université de Stanford et coauteur de cet article, "Normalement, il semble que les galaxies abritant des paires de trous noirs plus légères ont suffisamment d'étoiles et de masse pour rapprocher rapidement les deux. Comme cette paire est très massive, elle a nécessité beaucoup d'étoiles et de gaz pour se former. Le système binaire a survécu au centre de cette galaxie de cette matière, la laissant au point mort."

Pour trouver cette paire de trous noirs supermassifs, les auteurs ont consulté les données d'archives collectées par le télescope Gemini North à Hawaï et ont utilisé le spectrographe GMOS du télescope pour cartographier les vitesses des étoiles et trouver des traces d'accélération près du centre de la galaxie qui seraient la signature de la présence de trous noirs.

A ce jour, les astronomes n'ont jamais observé la fusion de deux trous noirs, et la fusion des trous noirs de B2 0402+379 est obstinément bloquée depuis 3 milliards d'années. Les astronomes ne savent toujours pas si la valse des deux trous noirs se poursuivra ou si elle se terminera par une collision spectaculaire (ce qui de toute manière arrivera).

Selon Surti, "Nous attendons avec impatience les investigations de suivi sur le noyau de B2 0402+379, où nous examinerons la quantité de gaz présente. Cela devrait nous permettre de mieux comprendre si les trous noirs supermassifs peuvent éventuellement fusionner ou s'ils resteront bloqués sous forme binaire."

L'univers primitif des Âges Sombres ionisé par des galaxies naines

Grâce au télescope JWST, une équipe internationale d'astronomes a réalisé les premières observations spectroscopiques des galaxies les plus faibles évoluant au cours du premier milliard d'années de l'univers et obtenu des indices essentiels pour résoudre le mystère couvrant la période dite des "Âges Sombres" (entre ~300000 ans et ~1 milliard d'années après le Big Bang).

Pour rappel, pendant les premières centaines de millions d'années qui suivirent le Big Bang, l'Univers baignait dans un épais "brouillard" d'hydrogène sans étoiles pour l'éclairer. Les spécialistes pensent que ce brouillard s'est finalement dissipé au cours de la réionisation de l'univers (vers 700000 ans après le Big Bang soit jusque vers z~20), lorsque le rayonnement a finalement pu traverser les nuages d'hydrogène neutre. Mais restait à savoir si ce rayonnement de réionisation provenait uniquement des premières étoiles ou si la matière tombant sur les trous noirs supermassifs notamment jouait également un rôle important.

Dans un article publié dans la revue "Nature" en 2024, une équipe d'astronomes dirigée par Hakim Atek de l'Institut d'Astrophysique de Paris a étudié huit galaxies naines primitive parmi les plus lointaines situées derrière l'amas de Pandore, Abell 2744, et évoluant dans un univers âgé de seulement 600 à 800 millions d'années. Les auteurs ont pris à la fois des images CCD et des spectres grâce à l'instrument NIRSpec du JWST. Le résultat le plus marquant est que ces galaxies naines ont produit quatre fois plus de rayonnement ultraviolet que ce que les astronomes avaient déduit des scénarii précédents.

Selon Atek, "Malgré leur petite taille, ces galaxies de faible masse sont de prolifiques productrices de rayonnement énergétique, et leur abondance pendant cette période est si importante que leur influence collective peut transformer l'état entier de l'Univers." Sa collègue Iryna Chemerynska précise : "Ils produisent des photons ionisants qui transforment l'hydrogène neutre en plasma ionisé lors de la réionisation cosmique."

Les astronomes soupçonnent depuis longtemps que de telles galaxies ont contribué à éclairer l'univers primitif, mais c'est devenu plus discutable depuis que le JWST a découvert plus d'AGN que prévu. Désormais, les nouvelles données du JWST sur ces minuscules galaxies les remettent au devant de la scène. Si on supposait que ces petites galaxies jouèrent un rôle important, les voir directement grâce au JWST et encore plus satisfaisant.

Le prochain objectif des auteurs est d'exploiter le programme d'observation GLIMPSE du JWST. Les astronomes cibleront un autre amas de galaxies massif, Abell S1063, afin d'étudier des galaxies encore plus faibles situées derrière lui, dans l'univers primitif. Cela leur permettra de vérifier si les galaxies naines de l'étude actuelle sont typiques de la distribution à grande échelle des galaxies.

Enfin, grâce à la future installation radioastronomie du SKA (Square Kilometer Array) qui devrait être opérationelle vers 2030, les astronomes seront en mesure de déterminer exactement à quelle époque l'univers n'était pas encore réionisé. Si les conclusions de l'équipe d'Atek sont exactes, nous ne devrions trouver que de l'hydrogène neutre (tracé par la raie à 21 cm) loin des galaxies naines. Autrement dit, on ne devrait pas détecter de signal radio près de ces galaxies naines.

Gz9p3, une galaxie merger 510 millions d'années après le Big Bang

Une équipe internationale d'astronomes dirigée par Kristan Boyett de l'Ecole de Physique de l'Université de Melbourne, en Australie, a réalisé des observations détaillées sans précédent de l'une des premières galaxies connues, cataloguée Gz9p3, dont les résultats furent publiés dans la revue "Nature Astronomy" en 2024 (en PDF sur arXiv).

Gz9p3 tire son nom de la collaboration Glass (le nom de cette équipe de 29 chercheurs) et du fait que cette galaxie se situe à un redshift de z = 9.3127 ±0.0002. Son redshift fut estimé à partir des raies d'émission [OII] et de l'hydrogène détectées par l'instrument NIRSpec du JWST. C'est l'une des 12 galaxies les plus lointaines identifiées à ce jour (2024) et la deuxième plus lointaine (avec GHZ2/GLASS-z12) identifiée grâce aux raies de l'oxygène en plus des raies Lyman α.

Gz9p3 est une galaxie "merger", c'est-à-dire en interaction, en train de fusionner avec une autre galaxie. Elle fut identifiée pour la première fois comme un petit point à peine plus grand qu'un pixel en 2022 dans les images du Télescope Spatial Hubble. Mais il fallut l'oeil perçant du JWST pour découvrir la structure de cette galaxie et déterminer qu'elle évoluait dans l'univers primitif, 510 millions d'années après le Big Bang, lorsque l’Univers avait moins de 5% de son âge actuel.

Selon les auteurs, Gz9p3 est bien plus massive et mature que prévu pour un Univers aussi jeune, contenant déjà plusieurs milliards d'étoiles. Elle contient l'équivalent de ~1.6 x 10⁹ M et forme des étoiles au taux d'environ 19 M par an (l'incertitude atteint 32%), avec une métallicité d'environ 10% de celle du Soleil.

C'est de loin l'objet le plus massif confirmé à cette époque avec une masse 10 fois plus élevée que toute autre galaxie détectée à ce jour au même redshift. Ces résultats suggèrent que pour que la galaxie atteigne cette taille, les étoiles doivent s'être développées beaucoup plus rapidement et efficacement qu'on ne le pensait jusqu'à présent.

Images de la galaxie Gz9p3 en cours de fusion située à z=9.3 photographiée sous filtres sélectifs par la NIRCam du JWST. C'est la plus brillante connue évoluant 510 millions d'années après le Big Bang. A gauche, une image composite en couleurs représentatives sous filtres F444W, F277W et F150W. Au centre, une image montrant un double noyau nucléaire dans la région centrale. La résolution est de 20 mas/pixel. A droite, les isophotes révèlent une structure grumeleuse allongée produite par la fusion de galaxies. Documents K.Boyett et al. (2024).

Non seulement Gz9p3 est une galaxie massive, mais sa forme complexe l'identifie immédiatement comme l'une des premières fusions de galaxies jamais observées. Comme le montre la carte des contours lumineux (isophotes) présentée ci-dessus à droite, la galaxie montre une morphologie qu'on associe généralement à deux galaxies en interaction.

Grâce à la spectroscopie, les auteurs ont pu analyser la composition de cette galaxie et découvert deux populations distinctes. Selon les auteurs, la fusion n'est pas terminée car on voit encore plusieurs composantes, dont un amas principal à deux noyaux, composé de très jeunes étoiles âgées de moins de 10 millions d'années entouré d'une population stellaire étendue âgée de 120 ±20 millions d'années (identifiée à partir de la modélisation du Modèle LATEX) et une extension qui ressemble à une queue de marée grumeleuse.

Comme nous l'avons expliqué à propos des fusions de galaxies, lorsque deux galaxies se rapprochent ainsi, par effet gravitationnel elles projètent effectivement une partie de leur matière dans l'espace. L'image prise par le JWST suggère que ce que nous observons l'une des fusions les plus lointaines jamais vues.

Une population aussi mature et aussi âgée à cette époque précoce n'est pas prévue par les modèles actuels. De plus, des éléments chimiques spécifiques détectés dans leur spectre (notamment le silicium, le carbone et le fer) révèlent que cette population stellaire plus âgée a enrichi la galaxie d'une variété de métaux.

De façon générale, quand on étudie les galaxies évoluant dans l'univers primitif, à l'image de Gz9p3, ce n'est pas seulement la taille de ces galaxies qui est surprenante, mais aussi la vitesse à laquelle elles ont atteint un tel état chimiquement mature.

Pour rappel, les galaxies de champ ou isolées construisent leur population d'étoiles in situ à partir de leurs réservoirs de gaz et constituent un moyen lent pour assurer leur croissance. Mais la quantité de gaz étant limitée, ce processus finit par anémier la galaxie et réduire son taux de formation stellaire à moins d'une étoile par an voire plus aucune. Les interactions entre galaxies peuvent attirer de nouveaux flux de gaz légers, fournissant le carburant nécessaire à la formation rapide d'étoiles, tandis que les fusions fournissent un canal encore plus accéléré pour accumuler du gaz et accroître la masse de la galaxie. Evoluant dans un univers dynamique, les plus grandes galaxies visibles dans l'univers proche montrent toute une historique de fusions successives, y compris M31 et la Voie Lactée. On y reviendra.

Les observations de Gz9p3 montrent que les galaxies évoluant dans l'univers primitif ont pu accumuler rapidement de la masse grâce à des fusions, avec des efficacités de formation d'étoiles supérieures à celles attendues. Ces observations fournissent la preuve d'une accumulation rapide et efficace d'étoiles et de métaux liée aux fusions de galaxies très peu de temps après le Big Bang, démontrant que des galaxies massives comptant plusieurs milliards d'étoiles ont existé plus tôt que prévu.

Ces découvertes et d'autres faites grâce au JWST contredisant les théories actuelles, elles vont conduire les astrophysiciens à ajuster leur modélisation des débuts de l'Univers et contribuer à réécrire notre compréhension de la formation et de l'évolution des galaxies. Cela ne signifie pas que les modèles cosmologiques sont faux, mais notre compréhension de la rapidité avec laquelle les galaxies se sont formées l'est probablement.

À mesure que le nombre de galaxies lointaines observées va augmenter, les astronomes qui étudient l'univers primitif disposeront d'échantillons de plus en plus grands pour finalement être suffisamment représentifs pour commencer à construire et à affiner de nouveaux modèles. Toute nouvelle découverte en ce domaine est donc une bonne nouvelle car elle améliore nos connaissances.

Vers une révision de la formation des galaxies

Notre compréhension de la formation des galaxies et de la nature de la matière sombre pourrait être complètement bouleversée après de nouvelles observations d'une galaxie plus massive que la Voie Lactée située à plus de 11 milliards d'années et... qui ne devrait pas exister selon le modèle cosmologique Standard !

Dans un article publié dans la revue "Nature" en 2024 (en PDF sur arXiv), Karl Glazebrook du Centre for Astrophysics and Supercomputing de l'Université de Technologie de Swinburne en Australie détaille les résultats d'une étude de la galaxie massive ZF-UDS-7329 située à z = 3.2 soit 11.5 milliards d'années-lumière. C'est une galaxie dite quiescente, c'est-à-dire qu'elle ne forme plus d'étoiles.

Les observations montrent qu'elle possède une importante population d'étoiles dont la masse stellaire totale est 4 fois plus importante que celle de la Voie Lactée et extrêmement ancienne, formée à z ~11 soit 1.5 milliard d'années plus tôt. Ces résultats bouleversent les modèles actuels qui considèrent qu'à cette époque il n'y avait pas assez de matière sombre dans les concentrations de gaz pour amorcer la formation de ce type de galaxie.

Glazebrook et ses collègues suivent cette galaxie et d'autres du même type depuis 2017 et ont passé des heures à l'observer avec les plus grands télescopes (Keck et VLT) pour déterminer son âge. Mais étant trop rouge et trop faible, ils ne sont pas parvenus à enregistrer son spectre jusqu'à ce que le JWST soit opérationnel.

La formation des galaxies est un paradigme fondamental qui sous-tend l'astrophysique moderne et prédit un fort déclin du nombre de galaxies massives au début des temps cosmiques. Or des galaxies quiescentes extrêmement massives ont été observées un à deux milliards d'années après le Big Bang, ce qui est tout à fait inexplicable selon les modèles actuels.

La question clé est maintenant de savoir comment elles se sont formées si rapidement très tôt dans l'Univers, et quels mécanismes mystérieux les empêche de former brusquement des centaines d'étoiles chaque année comme le font les autres galaxies.

Selon Claudia Lagos de l'ICRAR (International Centre for Radio Astronomy Research) qui participa à la modélisation théorique de l'évolution des concentrations de matière sombre pour cette étude, "La formation des galaxies est en grande partie dictée par la manière dont la matière sombre se concentre. La présence de ces galaxies extrêmement massives si tôt dans l'univers pose des défis importants à notre modèle cosmologique Standard. En effet, nous ne pensons pas que les structures de matière sombre aussi massives qu'elles hébergent aient eu le temps de se former. En fait des données supplémentaires sont nécessaires pour comprendre à quel point ces galaxies peuvent être communes et nous aider à comprendre à quel point ces galaxies sont réellement massives."

Glazebrook espère que cette découverte ouvrira une nouvelle voie pour mieux comprendre la physique de la matière sombre, déclarant : "Le JWST a découvert de plus en plus de preuves de la formation précoce de galaxies massives. Ce résultat établit un nouveau record pour ce phénomène. Bien qu'il soit très frappant, ce n'est qu'un seul objet. Mais nous espérons en trouver davantage, et si nous y arrivons, cela bouleversera vraiment nos idées sur la formation des galaxies."

Découverte d'un proto-amas massif de galaxies

Dans un article publié dans "The Astrophysical Journal Letters"en 2024, l'équipe de Feige Wang de l'Observatoire Steward de Tucson, en Arizona, annonça la découverte d'un proto-amas massif de galaxies. La nouvelle structure fut découverte autour d'un quasar lumineux appelé J0910-0414 dont une cartographie est présentée ci-dessous.

Les astronomes s'intéressent particulièrement à l'étude des proto-amas de galaxies car ce sont les ancêtres des amas de galaxies. De telles structures, évoluant à des redshifts élevés (z > 2.0), pourraient fournir des informations essentielles sur les premières phases de l'Univers.

Le quasar J0910-0414 est situé à z = 6.63. Avec un redshift aussi élevé, les chercheurs estiment que c'est un bon endroit pour rechercher des surdensités de galaxies et donc de nouveaux amas de galaxies y compris les premiers proto-amas.

Ce quasar abrite également l'un des trous noirs les plus massifs avec une masse d'environ 3.6 milliards de masses solaires.

Pour étudier ce quasar, les chercheurs ont utilisé l'Hyper Suprime-Cam (HSC) de 870 mégapixels montée sur le télescope Subaru de 8.20 m de la NAOJ installé au sommet du Mauna Kea à Hawaï. Cette caméra hors norme dispose d'un champ de 1.77° soit sept fois la surface apparente de la pleine Lune. Elle mesure 3 m de longueur, la première lentille mesure 82 cm de diamètre pour un poids total d'environ 3 tonnes ! L'installation radiointerférométrique ALMA et d'autres observatoires au sol furent également mis à profit.

Le proto-amas de galaxies est proche de J0910-0414. Au moins trois raies du carbone [C II] et 12 émetteurs Lyman-alpha (LAE) sont associés au redshift du quasar. Les images montrent également un LAE à double pic à proximité du quasar.

Selon les chercheurs, ce proto-amas de galaxies est l'une des structures les plus denses connues dans l'univers primitif. La masse de cette structure est estimée à environ 6.9 quadrillions de masses solaires soit trois fois supérieure à celle de l'amas de Coma (~10¹⁵ M) visuellement voisin mais beaucoup plus proche. Cela signifie que ce proto-amas est le plus massif découvert à ce jour à z > 6.0.

Résumant les résultats, l'équipe de Wang souligna qu'il est plus efficace d'identifier les surdensités des galaxies en ciblant les champs de quasars dans les données d'ALMA et à bande étroite, pour découvrir de telles entités.

A l'avenir les chercheurs utiliseront le système Mosaic d'ALMA, l'imagerie à grand champ et à bande étroite ainsi que le télescope JWST pour rechercher des quasars évoluant à l'époque de la réonisation. Selon les auteurs, cela devrait leur "permettre non seulement d'identifier les surdensités des galaxies à l'époque de la réonisation, mais également d'étudier la dépendance environnementale de l'évolution des galaxies."

Les fusions de galaxies dans l'univers primitif expliquent l'émission Lyman α

La résolution et la sensibilité inégalées du télescope spatial Jame Webb (JWST) ont révélé, pour la première fois, ce qui se trouve dans l'environnement local des galaxies évoluant dans l'univers primitif.

Parmi les questions non résolues de l'astronomie, en analysant le spectre des galaxies, les astronomes se sont demandés pourquoi pouvaient-ils observer la lumière des atomes d'hydrogène alors qu'elle aurait dû être entièrement bloquée par le gaz présent dans l'univers primitif ?

Grâce au JWST, Callum Witten de l'Institut d'Astronomie de l'Université de Cambridge et ses collègues ont découvert la présence de petites galaxies pâles autour des galaxies qui expliquent cette émission d'hydrogène "inexplicable" jusqu'à présent. En comparant leurs données avec des simulations de galaxies évoluant dans les conditions de l'univers primitif, les résultats montrent que la fusion ou merge de ces galaxies voisines est à l'origine de cette émission d'hydrogène. La vidéo présentée ci-dessous illustre le système de merge étudié et l'extraction du gaz neutre de ces objets. Cette découverte fit l'objet d'un article publié dans la revue "Nature Astronomy" en 2024 (en PDF sur arXiv).

A voir : Simulation - merging galaxies and hydrogen emission, HubbleWebbESA, 2024

Lyman alpha, UCL, 2015

A gauche, le champ général et un zoom sur la galaxie EGSY8p7, une galaxie brillante située à 13.2 milliards d'années-lumière qui évolue dans l'univers primitif où l'émission de lumière provient d'atomes d'hydrogène excités appelée l'émission Lyman α qui se manifeste par une augmentation du flux avec d'importantes raies d'absorptions dans leur spectre appelées la "forêt Lyman α". Les images furent prises par le JWST dans le cadre du sondage CEERS. Au centre, un gros-plan sur la galaxie EGSY8p7 et ses deux compagnes dont le noyau plus brillant est bien visible. A droite, l'image floue de EGSY8p7 enregistrée en 2015 par les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer. Documents ESAWebb et NASA/ESA/UCL.

Pour rappel, les toutes premières galaxies étaient des sites de formation d'étoiles massives et très actives et, en tant que telles, étaient de riches sources d'un type particulier de lumière émise par des atomes d'hydrogène appelée l'émission Lyman α. Cependant, à l'époque de la réionisation, qui eut lieu entre environ 700 millions d'années et 1.1 milliard d'années après le Big Bang, une immense quantité d'hydrogène neutre (HI) entourait ces zones stellaires qu'on appelle également des "pépinières d'étoiles".

A cette époque, l'espace entre les galaxies était rempli de beaucoup plus de ce gaz neutre qu'aujourd'hui. Le gaz neutre pouvant absorber et disperser très efficacement cette émission d'hydrogène, les astronomes ont prédit depuis longtemps que l'abondante émission Lyman α libérée au tout début de l'Univers ne devrait plus être observable aujourd'hui. Or, dans les spectres de nombreuses galaxies lointaines, les astronomes observent des raies de l'hydrogène Lyman α (pour les galaxies lointaines la raie qui se situe au repos en UV à 121.56 nm est décalée soit vers 451 nm pour z = 2.4 voire à plus de 1100 nm pour z ~ 8, dans la partie proche infrarouge de son spectre, d'où l'utilisation du JWST pour observer les galaxies dans cette partie du spectre). Se pose alors une question : comment se fait-il que cette émission de lumière provenant des atomes d'hydrogène présent dans l'univers primitif - qui aurait dû être absorbée ou dispersée depuis longtemps, et certainement bloquée par le gaz neutre - soit observée ?

Grâce à la caméra NIRCam du JWST, Witten et ses collègues ont réussi à percer ce mystère. Là où le Télescope Spatial Hubble ne voyait qu'une "grande" galaxie floue comme illustré ci-dessus à droite, le JWST distingue un amas de galaxies plus petites en interaction. Grâce à son excellente résolution, le JWST a permis de résoudre les petites galaxies pâles qui entourent les galaxies brillantes dans lesquelles l'émission d'hydrogène "inexplicable" - Lyman α - avait été détectée.

Concrètement, l'environnement de ces galaxies semble être un endroit beaucoup plus fréquenté que les astronomes le pensaient, rempli de petites galaxies pâles. Avec le temps, ces petites galaxies souvent de taille naine, interagirent et fusionnèrent les unes avec les autres. Grâce à l'oeil perçant du JWST, Witten et ses collègues ont montré que les fusions de galaxies peuvent expliquer cette émission mystérieuse des galaxies lointaines.

Les auteurs ont ensuite utilisé des simulations informatiques pour explorer les processus physiques susceptibles d'expliquer leurs résultats. Ils ont découvert que l'augmentation rapide de la masse stellaire due aux fusions de galaxies entraînait à la fois une forte émission d'hydrogène et facilitait la fuite de ce rayonnement via des canaux débarrassés de l'abondant gaz neutre. Ainsi, le taux de fusion élevé de galaxies plus petites, jusqu'alors inobservées résout l'énigme de longue date de l'émission précoce "inexplicable" d'hydrogène.

Selon Sergio Martin-Alvarez, de l'Université de Stanford et coauteur de cet article, "cette révélation eut un impact énorme sur notre compréhension de l'émission inattendue d'hydrogène de certaines des premières galaxies."

Le prochain objectif des auteurs est de réaliser des observations de suivi avec des galaxies à différents stades de fusion, afin d'améliorer leur compréhension de la manière dont l'hydrogène est éjecté de ces systèmes en évolution. A terme, cela leur permettra d'améliorer notre compréhension de l'évolution des galaxies.

Observation de la galaxie DOG AzTECC71 par le JWST

Dans le cadre de la collaboration COSMOS-Web qui travaille avec le télescope spatial James Webb (JWST), Caitlin Casey, professeure agrégée à l'Université du Texas à Austin et ses collègues se sont donnés pour objectif de cartographier jusqu'à 1 million de galaxies dans une région du ciel d'à peine deux degrés carrés (de la taille de trois pleines Lunes). L'objectif est notamment d'étudier les premières structures de l'univers, en particulier les galaxies primitives. L'équipe de plus de 50 chercheurs bénéficia de 250 heures de temps d'observation au cours de la première année d'opération du JWST et compte travailler 2 ans - entre 2022 et 2024 - pour analyser toutes les données.

Parmi les premières galaxies étudiées, dans un article publié dans "The Astrophysical Journal" en 2023, Casey et ses collègues se sont intéressés à la galaxie AzTECC71 située à z = 5.7 soit 12.8 milliards d'années-lumière. C'est une galaxie primitive obscurcie par la poussière et starburst ou DOG (Dust-Obscured star-forming Galaxy) enveloppée d'un voile de poussière difficile à pénétrer. Elle forme de nouvelles étoiles à un taux très élevé qu'on ne rencontre plus dans les galaxies plus proches car elles ont épuisé une grande partie du gaz qui leur sert de combustible pour former de nouvelles étoiles.

Selon le postdoctorant Jed McKinney de l'Université du Texas à Austin et auteur principal de cet article, "Cette chose est un véritable monstre. Même si cela ressemble à une petite goutte, elle forme en réalité des centaines de nouvelles étoiles chaque année."

Une galaxie obscurcie par la poussière est difficile à voir en optique car une grande partie de la lumière des étoiles est absorbée par la poussière puis réémise à des longueurs d'ondes infrarouges. Avant le JWST, les astronomes les appelaient parfois les "galaxies sombres de Hubble", par référence au télescope spatial Hubble dont la vision en infrarouge est limitée à 1.7 micron ou 1700 nm. La galaxie AzTECC71 qui paraît rouge en partie en raison de son important décalage Doppler, est totalement invisible sous 2.5 microns ou 2500 nm comme le montre cette séquence du JWST prise sous différents filtres et n'apparait qu'en infrarouge moyen à 4.44 microns ou 4400 nm.

Le fait que la plupart des galaxies DOG sont invisibles par le HST suggérait aux astronomes que ces galaxies étaient extrêmement rares dans l'univers primitif. Selon McKinney, "Jusqu'à présent, la seule façon dont nous avons pu voir les galaxies de l'univers primitif était d'un point de vue optique avec Hubble. Cela signifie que notre compréhension de l'histoire de l'évolution des galaxies est biaisée parce que nous ne voyons que les galaxies non obscurcies et moins poussiéreuses. Avec le JWST, nous pouvons étudier pour la première fois les propriétés optiques et infrarouges de cette population de galaxies et percer les voiles poussiéreux les plus épais."

Cette découverte, ainsi que plus d'une douzaine de candidates supplémentaires isolées dans la première moitié des données de COSMOS-Web suggèrent que les galaxies DOG primitives pourraient être jusqu'à dix fois plus nombreuses que prévu. Si cette conclusion est confirmée, cela suggère que déjà 900 millions d'années après le Big Bang le jeune univers était beaucoup plus poussiéreux qu'on ne le pensait auparavant.

Mais pour en être certain, il faudra encore patienter jusqu'à ce que les différentes équipes de chercheurs aient analysé un grand nombre de galaxies DOG et starbursts et obtenu une vue générale et plus précise de leurs propriétés et de leur évolution. Le cas échéant, ils pourront ensuite affiner le modèle cosmologique de l'évolution des galaxies.

SPT0418-47, une galaxie très riche en métaux dans l'univers primitif

Le doctorant en astrophysique Bo Peng du Département d'Astronomie de l'Université de Cornell à Ithaca et ses collègues ont annoncé dans "The Astrophysical Journal Letters" en 2023, avoir découvert grâce au télescope spatial Jame Webb (JWST) une galaxie très riche en métaux dans l'univers primitif.

Cette galaxie cataloguée SPT0418-47 se situe à z = 4.225 soit 12.16 milliards d'années-lumière. Elle s'est formée à peine 1.56 milliard d'années après le Big Bang, à une époque où l'Univers avait 10% de son âge actuel.

Cette galaxie avait déjà été observée et appartient à la famille des galaxies obscurcies par la poussière ou DOG (Dust-Obscured star-forming Galaxy) en abrégé. Elle compte parmi plus brillantes dans l'univers primitif et semble déjà héberger plusieurs générations d'étoiles. Elle offre également la particularité de former un anneau d'Einstein suite à la déformation de son image par une lentille gravitationnelle située au premier plan mais invisible.

Selon Peng, "Cette galaxie est chimiquement super-abondante, ce à quoi on ne s'attendait pas. Le JWST change notre façon de voir ce système et ouvre de nouveaux horizons pour étudier comment les étoiles et les galaxies se sont formées dans l'univers primitif."

L'image présentée à droite est celle de l'anneau d'Einstein SPT0418-47 enregistré en 2013 par l'installation ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) de l'ESO. A l'époque, les radioastronomes n'avaient pas réussi à résoudre l'anneau en ses composantes mais les données suggéraient l'existence d'une deuxième galaxie à l'intérieur de l'anneau.

En étudiant les données spectrales prises par l'instrument NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph) qui fonctionne entre 0.6 et 5 microns du JWST, Peng identifia une nouvelle source lumineuse juste sur le bord extérieur de l'anneau appelée SPT0418-SE-1 (ou composante B) et une deuxième source à l'intérieur de l'anneau appelée SPT0418-SE-2 (ou composante C). Une analyse spectrale plus approfondie confirme que les fortes raies d'émission des atomes d'hydrogène, d'azote et de soufre présentent des décalages vers le rouge similaires. Ensemble, ces deux sources représentent les images de deux galaxies dont la lumière est gravitationnellement amplifiée par celle située au premier plan, bien qu'elles soient 8 à 16 fois plus pâles, soulignant la puissance de la vision infrarouge du JWST.

Pour vérifier leur découverte, les chercheurs ont réanalysé les observations antérieures d'ALMA et découvert une raie d'émission du carbone ionisé [C II] correspondant étroitement aux décalages vers le rouge enregistrés par le JWST. L'observation de plusieurs raies d'émission décalées exactement de la même quantité prouve sans équivoque que cette nouvelle galaxie est bien située à la distance calculée.

Selon les chercheurs, "l'abondance du [C II] et du continuum de poussière indique un taux de formation stellaire - SFR - d'au moins 17 M par an avec un SFR_Hα deux fois plus faible, confirmant que SPT0418-SE-2 est bien une galaxie obscurcie par la poussière", une DOG.

La galaxie SPT0418-SE-2 se trouve à moins de 5 kpc ou 16300 années-lumière de l'anneau, l'équivalent d'un dizième de la distance qui sépare les Nuages de Magellan du centre de la Voie Lactée. Cette proximité suggère que les deux galaxies sont vouées à interagir et potentiellement même à fusionner, une observation qui ajoute à la compréhension de la façon dont les premières galaxies ont pu évoluer pour en former de plus grandes.

A gauche, image pseudo H-alpha de SPT0418 reconstruite à partir des données NIRCam, NIRSpec et MIRI du JWST. On distingue la galaxie compagne appelée SPT0418-SE-2 (composante C dans le cercle noir) à l'intérieur de l'anneau et une composante B (SPT0418-SE-1 dans l'ellipse grise) juste à l'extérieur de l'anneau. A droite, le spectre des trois sources, celui de l'anneau ayant été réduit d'un facteur 0.1 pour plus de clarté. Documents B.Peng et al. (2023).

Les deux galaxies présentent une faible masse, SPT0418-SE-2 étant relativement plus petite et moins poussiéreuse, ce qui la rend plus bleue que l'anneau extrêmement obscurci par la poussière. Sur la base d'images de galaxies proches aux couleurs similaires, les chercheurs suggèrent qu'elles pourraient résider "dans un halo massif de matière noire avec des voisines encore à découvrir."

Compte tenu de leur âge et de leur masse, le plus surprenant dans ces galaxies est leur métallicité déjà élevée avec des quantités de métaux (les éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium) tels que le carbone, l'oxygène et l'azote similaires à celles du Soleil.

Pour rappel, dans le cas du Soleil, il hérita la plupart de ses métaux des générations précédentes d'étoiles qui avaient mis 8 milliards d'années pour les fabriquer. Or nous observons ces galaxies à une époque où l'univers avait à peine 1.56 milliard d'années.

Selon Amit Vishwas de l'Université de Cornell et coauteur de cet article, "Nous voyons les restes d'au moins deux générations d'étoiles ayant vécu et mortes au cours du premier milliard d'années d'existence de l'univers, ce qui n'est pas ce que nous voyons généralement. Nous supposons que le processus de formation des étoiles dans ces galaxies a dû être très efficace et commença très tôt dans l'univers, en particulier pour expliquer l'abondance mesurée de l'azote par rapport à l'oxygène, car ce rapport est une mesure fiable du nombre de générations d'étoiles ayant vécu et qui sont mortes."

Les chercheurs vont à présent poursuivre l'étude de l'anneau d'Einstein SPT0418-47 et des galaxies compagnes grâce au JWST.

De possibles galaxies massives à plus de 13 milliards d'années-lumière

Des chercheurs ont annoncé dans la revue "Nature" en 2023 avoir découvert de possibles galaxies massives dans l'univers primitif dont les caractéristiques ne s'expliquent pas dans le cadre du modèle cosmologique actuel.

Ivo Labbé du Centre d'Astrophysique et de Calcul Intensif (supercomputing) de l'Université de Technologie de Swinburne en Australie et ses collègues ont découvert grâce au JWST six galaxies situées entre 7.4 ≤ z ≤ 9.1 soit à plus de 13 milliards d'années-lumière. Elles se sont formées seulement 540 à 770 millions d'années après le Big Bang et leur masse dépasse 10 milliards de masses solaires, l'une d'entre elles atteignant probablement les 100 milliards de masses solaires. Cette dernière est presque aussi massive que la Voie Lactée mais est 30 fois plus compacte. Selon les chercheurs, c'est trop massif et donc impossible selon les modèles actuels.

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