Depuis sa mise en service, le Télescope spatial James Webb (JWST) a découvert des galaxies plus anciennes et plus « vigoureuses » que celles qu’on ait jamais observées. Ces découvertes posent questions car elles n’étaient pas attendues. Elles ne remettent pas en cause la théorie du début de l’Univers (cosmologie) mais son évolution après l’éclatement de la Surface de dernière diffusion et plus particulièrement ce qui s’est passé pendant les Âges sombres (astrophysique).
Le JWST capte les rayonnements micro-ondes de l’infra-rouge proche et moyen depuis le visible (couleur orange), de 600 nm à 28.500 nm (28,5 µm), tandis que le télescope Hubble couvre les longueurs d’ondes allant de 90 à 2.500 nm (ultraviolet, visible et début de l’infrarouge). Il y a donc un léger chevauchement qui rend les appareils bien complémentaires*. Mais le JWST « voit » les sources les moins puissantes aux longueurs d’onde les plus longues, ce qui permet de capter moins difficilement les plus anciennes. En effet, les longueurs d’ondes des émissions de ces dernières ont été considérablement étirées par l’expansion de l’Univers, de telle sorte que la lumière à l’origine dans le spectre visible ou même ultraviolet, nous apparaît aujourd’hui dans un infrarouge d’autant plus profond qu’il est ancien. D’où l’intérêt du JWST par rapport à Hubble mais aussi l’intérêt des deux télescopes spatiaux par rapport aux télescopes terrestres dans ces longueurs d’ondes car la chaleur et la vapeur d’eau de l’atmosphère gênent la collecte de rayonnements et limitent la résolution des images. Par ailleurs, le miroir primaire du JWST a un diamètre de 6,5 m contre seulement 2,4 m pour Hubble ce qui lui donne une puissance de collecte évidement bien supérieure. Aussi sa situation au point de Lagrange L2 lui donne un accès beaucoup plus ouvert que Hubble à la totalité de l’espace car ce dernier évolue en orbite basse (590 km) de la Terre.
*Le télescope spatial Spitzer (orbite héliocentrique et miroir primaire 85 cm de diamètre) lancé en 2003 et hors d’usage depuis janvier 2020, pouvait observer l’Univers dans le spectre allant de 30.000 à 160.000 nm.
La course à la capture de la lumière la plus lointaine a commencé avec les premières lunettes astronomiques. Mais le télescope Hubble a été l’un des instruments qui a fait date, notamment du fait de la taille de son miroir primaire par rapport aux précédents dont Spitzer, et de sa plus grande facilité que les équipements terrestres à accéder à l’infrarouge. C’est ainsi qu’il a pu, en mars 2016, découvrir la galaxie GN-z11 dont nous recevons aujourd’hui la lumière avec un décalage vers le rouge (redshift) de z=11,1 (Spitzer n’avait pu aller seul que jusqu’à z=6). En d’autres termes 13,4 milliards d’années après son émission ou 400 millions d’années après le Big Bang.
Mais les choses ne sont pas si simples ; personne n’a le monopole des progrès dans l’observation. On y travaille aussi sur Terre, en adaptant au mieux les appareils. Ainsi, le télescope Japonais Subaru, au sommet du Mauna Kea sur l’île d’Hawaï peut capter aussi les ondes infrarouge (de 300 nm à 30.000 nm) même s’il le fait avec moins de facilité et de netteté que peut le faire un télescope spatial. En avril 2022, (après confirmation par plusieurs télescopes), les Japonais informaient le monde que GN-z11 devait être détrôné par leur nouvelle découverte, les galaxies HD1 et HD2 qui émettaient très fortement (à l’origine) en ultraviolets (starburst galaxy) reçus sur Terre en lumière rouge. La plus lointaine, HD1 a un redshift de z=13,27, ce qui la place à plusieurs dizaines de millions d’années-lumière de moins par rapport au Big Bang (330 millions d’al).
Finalement le télescope JWST est entré en service en décembre 2021 et a publié sa première photo en Juillet 2022. A la suite des observations très abondantes et révolutionnaires dans bien des domaines y compris bien sûr celui du repérage des galaxies les plus lointaines, deux études publiées en mai 2024 nous ont donné le nouveau record de distance. La galaxie JADES* GS-z14 dont le décalage atteint z=14,32 nous provient aujourd’hui de nettement moins de 300 millions d’années-lumière après le Big-Bang. A cette distance et donc à cette vitesse d’éloignement, les ultraviolets ne sont reçus qu’en infrarouges (et ni les télescopes terrestres ni Hubble n’auraient la puissance suffisante pour les capter). La taille de la galaxie est relativement toute petite par rapport aux galaxies modernes (1.600 al par rapport aux 100.000 al de notre Voie Lactée). Cette taille implique une couronne d’étoiles (confirmées par spectroscopie) autour d’une masse attractive très puissante, qui ne peut être qu’un trou noir supermassif.
*JADES est le champ profond « JWST Advanced Deep Extragalactic Survey ». Il est situé à l’intérieur du champ profond de Hubble.
A cette distance, nous avons pénétré profondément dans les Ages sombres qui s’étendent de la Surface de dernière diffusion jusqu’à environ 400 millions d’années. Cette période était à l’origine pensée comme peu riche en galaxies constituées (ou « allumées ») parce qu’on croyait que la Nature n’avait pu encore générer suffisamment d’étoiles par condensation des nuages denses (« halos ») de matière (hydrogène et hélium avec un peu de lithium et de béryllium) extraits par l’expansion de l’Univers compact contenu à l’intérieur de la Surface de dernière diffusion (380.000 ans après le Big Bang). On pensait que ces halos avaient dû ne se contracter que lentement sous l’emprise de la force de gravité propre à toute masse qui les constituait (et de plus en plus, au fur et à mesure qu’ils s’éloignaient de leurs voisins puisque le volume de l’Univers s’élargissait, relâchant ainsi les attractions trop proches).
Il semble effectivement, avec l’accumulation des observations, qu’il y ait eu assez peu de galaxies à cette époque mais on est surpris par le fait que certains de ces premiers halos soient plus gros qu’on s’y attendait et surtout qu’ils soient extrêmement lumineux exprimant ainsi une intense activité de création d’étoiles (starburst). La vigueur de ces galaxies fait penser qu’on pourrait en découvrir d’autres à une période encore plus reculée, peut-être jusqu’à 200 millions d’années.
En même temps que le JWST scrutait les profondeurs de l’univers le plus primitif, il a examiné avec plus de précision la région immédiatement antérieure, de 450 à 750 millions d’années après le big bang. Les galaxies les plus anciennes découvertes dans ce segment (tendant donc vers les 450 millions) sont également étranges. Elles font environ un trentième de la taille de la Voie lactée (petites par rapport à aujourd’hui mais plus grandes qu’elles devraient être à cette époque primitive) et ont des taux de formation d’étoiles qui devaient être 1000 fois plus élevés que celui de la Voie Lactée. Les scientifiques ont qualifié ces systèmes de « galaxies ultramassives ».
A « première vue » ni l’un ni l’autre de ces ensembles ne semblent pouvoir être entièrement expliqués par le modèle actuel qui prévoit une sortie lente des Âges sombres avec des galaxies très peu lumineuses à l’origine. Les astrophysiciens doivent donc réviser leur théorie ! Plusieurs hypothèses sont émises.
Dans la revue Physical Review Letters, Nashwan Sabti de l’Université Johns Hopkins et ses collègues pensent que ces galaxies pourraient simplement être expliquées « aux limites » de notre modèle « Lambda-CDM » (Lambda Cold Dark Matter) de l’Univers.
D’autres chercheurs sont plus « innovants » :
Dans l’Astrophysical Journal Letters, Joseph Silk et ses collègues de Johns Hopkins constatent qu’il y a beaucoup plus de trous noirs que prévu et que beaucoup des galaxies dans lesquelles ils se trouvent sont très compactes (à peine 300 années-lumière de diamètre en moyenne). Ils en déduisent que les trous noirs se sont formés plus tôt que les galaxies, plus précisément dans les 50 millions d’années suivant le Big Bang. Les trous noirs auraient pu ensuite comprimer les halos en étoiles plus rapidement qu’en attendant l’effet naturel de la concentration d’une masse homogène par la gravité. Dans ce schéma, le mécanisme pour la création d’étoiles, implique des processus astrophysiques raisonnablement bien compris appelés « sortie » (outflow) et « rétroaction » (feedback). La sortie est l’émission par les masses galactiques de matière par des jets polaires et la rétroaction, la reprise par la gravité de matière expulsée. Cette reprise force à la re-concentration de la matière en étoiles à une distance raisonnable du trou noir de telle sorte qu’elles restent sous le contrôle gravitationnel de ce dernier. Au fil du temps, le phénomène s’est estompé et a conduit à la formation d’étoiles plus conventionnelles.
De leur côté, Fabio Pacucci et ses collègues du Centre d’Astrophysique de l’Université d’Harvard et du Smithsonian Institute partent du constat que dans les galaxies modernes « normales », la masse des étoiles dépasse la masse du trou noir central dans un rapport de 1000 pour 1. Ils observent au contraire que dans les galaxies anciennes de 750 millions à 1,5 milliard d’années après le big bang, nombreuses pourraient avoir un trou noir dont la masse correspond à leur masse stellaire, ou peut-être même la dépasse (trous noirs à « graines lourdes » – « heavy seed »). Ils en déduisent un modèle de croissance dans l’univers primitif dans lequel les trous noirs se sont créés directement à partir de l’effondrement de halos au cours des 100 premiers millions d’années du cosmos plutôt que par la capture et l’absorption d’étoiles nées de la condensation de ce halo. Cette proposition est cohérente avec celle de Silk et pourrait ainsi renforcer l’explication astrophysique de la croissance précoce et rapide des galaxies. Le lancement de l’observatoire spatial LISA (Laser Interferometer Space Antenna) prévu par l’ESA pour 2035 pourrait peut-être permettre d’identifier de tels « graines lourdes » en distinguant les ondes gravitationnelles qu’elles ont émises.
Alternativement une autre explication est proposée pat Guochao Sun et ses collègues de l’Université Northwestern. Selon eux, certaines galaxies pourraient avoir traversé des périodes de formation d’étoiles « en rafale » du fait de leur instabilité propre à leur jeunesse et à leur composition principalement en hydrogène (par définition il n’a pas pu y avoir de nucléosynthèse stellaire auparavant). Une abondance de supernovæ (liées à la taille des premières étoiles) aurait pu conduire à un processus de feedback sur des périodes d’environ une dizaine de millions d’années (vie très courte des étoiles massives) qui aurait augmenté la formation d’étoiles à des taux « 10 à 100 fois » supérieurs à ceux de galaxies plus calmes car plus matures (contenant une densité moindre d’étoiles massives). Cela aurait pu provoquer des hausses et des baisses erratiques de luminosité de plusieurs galaxies du premier univers, conduisant à un échantillon biaisé des galaxies lumineuses. Les premières galaxies très brillantes observées représenteraient simplement l’extrémité supérieure des fluctuations énormes des formation d’étoiles, les galaxies en phase plus sombre étant peut-être plus nombreuses mais restant, jusqu’à présent, invisibles.
Personnellement, mais je ne suis ni astrophysicien ni cosmologue, il me semble « normal » que les anisotropies observées à la Surface de dernière diffusion, donnent naissance, dès l’éclatement de cette Surface à des masses distinctes correspondant aux halos. Dans ce contexte, je ne vois pas pourquoi, dès ce moment, des trous noirs primordiaux, n’« habiteraient » pas les halos. A moins que les premiers temps après l’éclatement ne donnent lieu à une déconcentration générale de la matière et que la reconcentration jusqu’à création de trous noirs, ne puisse se faire qu’après un certain temps, notamment nécessaire pour que les halos se soient suffisamment éloignés les uns des autres (les 50 millions d’années susmentionnés) laissant ainsi libre cours à la gravité habitant chacune des masses ?
Reste à vérifier ces hypothèses avec la suite des observations et des calculs. En tout cas les articles sensationnalistes des médias annonçant que les hypothèses sur la naissance de l’Univers étaient démenties par ces observations du JWST, ont exagéré, comme d’habitude !
Illustration de titre :
JADES (Image NIRCam). NIRCam est la caméra infrarouge embarquée à bord du JWST qui couvre le spectre de 0,6 à 5 µm. Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, B. Robertson (UC Santa Cruz), B. Johnson (CfA), S. Tacchella (Cambridge), P. Cargile (CfA).
Liens :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Spitzer_(t%C3%A9lescope_spatial)
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9 réponses
Bonjour Pierre Brisson
Excellent vraiment excellent article: bon nous sommes la dans les « trefonds » de la connaissance… il y a tres probablement eu bigbang …ca s est peut etre passe un peu differemment que ce que nous croyions jusqu a maintenant…on ne sait pas pourquoi cela est arrive…
Personnellement en ce moment je ne suis pas la dessus: j etudie les differences qu il existe entre le cerveau d un mamifere et celui d un oiseau descendant des dinosaures afin de voir si un jour la communication pourra etre possible entre des formes d intelligences extraterrrestres et nous…passionnant…je vais de surprises en surprises.Mais sur ce sujet je ne suis pas encore au point!
ou a moins que l affaire ne soit plus ancienne
Un autre point remarquable et inattendu est à relever avec l’observation de cette galaxie JADES-GS-z14-0 : la spectroscopie révèle qu’il s’y trouve de l’oxygène. On en conclut qu’il y a déjà eu une première génération d’étoiles qui ont synthétisé cet élément oxygène, qui deviendra ultimement le 3e élément le plus abondant de l’Univers (1,04%), après les éléments hydrogène (73,90%) et hélium (24,00%), le carbone suivant avec 0,46%.
Sachant qu’il y a trois isotopes stables de l’oxygène (16, 17 et 18), l’isotope oxygène-16, étant le plus abondant (99,8%), est formé, uniquement dans des étoiles massives, par une quadruple fusion de l’hélium-4, en trois réactions successives donnant d’abord le bore-8, puis le carbone-12. Normalement ce processus a lieu dans les étoiles âgées qui ont accumulé suffisamment d’hélium. Rappelons que plus une étoile est massive, plus sa vie est courte, ou, de façon équivalente, plus elle vieillit vite. Ce qui serait nécessaire pour une synthèse d’oxygène-16. Mais il y a d’autres processus tout à fait différents pour les deux autres isotopes 17 et 18 qui sembleraient ne pas pouvoir se former dans cette toute première génération d’étoiles. Il reste à vérifier que le spectre de cette galaxie primitive correspond bien à l’oxygène-16.
Bonjour
si j ai bien compris le probleme :James Webb nous montre un grand nombre de galaxies precoces et brillantes c est bien cela?
Bonjour Niogret. Oui, le James Webb nous a fait réaliser que les premières galaxies sont beaucoup plus vigoureuses (lumineuses) qu’on le pensait et que leur formation serait largement due à la présence d’un trou noir central plus qu’à la condensation d’un nuage de matière homogène comme on le pensait.
Cela pose la question de la formation de ces trous noirs. Sont-ce des « morceaux » de la surface de dernière diffusion (les anisotropies les plus visibles sur cette surface) ou bien existe-t-il un processus qui favorise très tôt la formation de trou noir à partir des premières galaxies sombres compte tenu du contexte (univers plus petit et contact plus facile entre les halos)?
Bonjour Pierre Brisson oui bien recu : aucune idee mais c est tres curieux. cela ne remet pas vraiment en cause la theorie actuelle cosmologique dans ses grandes lignes.La force qui a provoque la formation de ces structures est necessairement la gravite, peut etre la nucleosynthese primordiale a t elle ete beaucoup plus importante que prevu et donc la quantite de matiere formee… et je pense qu il faut aussi se reporter au contenant c est a dire la bulle d espace temps de l epoque tres courbe comparee a maintenant presque plate ce qui peut influer peut etre sur la force de gravite et sur la propagation de la lumiere ….puisque ce que nous »mesurons » c est de la lumiere…la il faut attendre l avis de nos savants. MAIS la formations de trous noirs en premier me semble bizarre : je concois mieux la chose dans le sens etoile puis trou noir ?
Effectivement le phénomène de formation d’étoiles massives aurait été privilégiée pendant cette époque primitive (théorie de Guochao Sun) du fait de la prépondérance énorme de l’hydrogène par rapport aux autres éléments. Et qui dit étoiles massives dit évolution très rapide se terminant en supernova et produisant une nucléosynthèse très riche (d’où aussi peut-être, à l’occasion, la production d’oxygène dont parlait Christophe de Reyff).
Votre autre remarque sur la taille de l’Univers primitif est aussi un élément à souligner. Puisqu’il y a eu expansion, l’Univers primitif était beaucoup plus petit que le nôtre alors que la quantité de matière était la même (rappelons-nous rien ne se perd, rien ne se créée!). Donc les interactions gravitationnelles devaient être plus nombreuses…en même temps elles étaient contrées par l’expansion!
Oui Bonjour Christophe d Reyff : la vous me sortez du cerveau des oiseaux…. Votre remarque concernant les isotopes de l oxygene est bien sur tres interressante et suggere qu il y a eu une generation d etoiles precedents…ce qui complique davantage l affaire…je n ai pas d idees a ce sujet!
Pour tout vous avouer avec le bigbang je patauge beaucoup!
chez nous tut se passe au niveau du cortex prefrontal situe en avant du cerveau.
chez les oiseaux pas de cortex prefrontal et tout se passe au nivean du nidopallium caudolateral caracterise par une tres forte concentartion de neurones tres rapproches donc de delais synaptiques tres faibles d ou de tres etendues capacites cognitives: si la nature et le hasard ont concu quelque part des etres dotes d un tel cerveau (en bien sur beaucoup plus gros) alors ils doivent etre dotes d une intelligence phenomenale capable de comprendre par exemple le bigbang…Mais pas sur que nous puissions communiquer avec de tels etres car si leur pallette de facultes cognitives est etendue chaque faculte n est pas forcemment « poussee aussi loin » que chez nous…en fait nous parlons presque de Horus!
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je me demande si un contact avec de tels etres ne provoquerait pas notre destruction par « incomptabilite » d intelligence.