La deuxième galaxie la plus éloignée découverte grâce au télescope spatial James Webb

Les deuxième et quatrième galaxies les plus éloignées jamais observées ont été découvertes dans une région de l’espace connue sous le nom d’Amas de Pandore, ou Abell 2744, à l’aide des données du télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA.

Suite à une image en champ profond de la région, une équipe internationale dirigée par des chercheurs de Penn State a confirmé la distance de ces anciennes galaxies et a déduit leurs propriétés à l’aide de nouvelles données spectroscopiques (informations sur la lumière émise à travers le spectre électromagnétique) du JWST. Situées à près de 33 milliards d’années-lumière, ces galaxies incroyablement lointaines offrent un aperçu de la façon dont les premières galaxies auraient pu se former.

Contrairement à d’autres galaxies confirmées à cette distance qui apparaissent sur les images sous forme de points rouges, les nouvelles galaxies sont plus grandes et ressemblent à une cacahuète et à une boule duveteuse, selon les chercheurs. Un article décrivant les galaxies paraît dans le journal Lettres de journaux astrophysiques.

“On sait très peu de choses sur les débuts de l’univers, et la seule façon d’en apprendre davantage sur cette époque et de tester nos théories sur la formation et la croissance des premières galaxies est d’étudier ces galaxies très lointaines”, a déclaré le premier auteur, Bingjie Wang, chercheur postdoctoral à Penn State. Eberly College of Science et membre de l’équipe JWST UNCOVER (Ultradeep NIRSpec et NIRCam ObserVations before the Epoch of Reionization) qui a mené la recherche.

“Avant notre analyse, nous connaissions seulement trois galaxies confirmées à cette distance extrême. L’étude de ces nouvelles galaxies et de leurs propriétés a révélé la diversité des galaxies dans l’univers primitif et tout ce qu’il y a à apprendre d’elles.”

Parce que la lumière de ces galaxies a dû voyager très longtemps pour atteindre la Terre, elle ouvre une fenêtre sur le passé. L’équipe de recherche estime que la lumière détectée par JWST a été émise par les deux galaxies lorsque l’univers avait environ 330 millions d’années et a parcouru environ 13,4 milliards d’années-lumière pour atteindre le JWST. Mais, selon les chercheurs, les galaxies sont actuellement plus proches de 33 milliards d’années-lumière de la Terre en raison de l’expansion de l’univers au cours de cette période.

“La lumière de ces galaxies est ancienne, environ trois fois plus vieille que la Terre”, a déclaré Joel Leja, professeur adjoint d’astronomie et d’astrophysique à Penn State et membre d’UNCOVER. “Ces premières galaxies sont comme des phares, avec de la lumière jaillissant à travers le très mince hydrogène gazeux qui constituait l’univers primitif. Ce n’est que par leur lumière que nous pouvons commencer à comprendre la physique exotique qui régissait la galaxie à l’aube cosmique.”

Notamment, les deux galaxies sont considérablement plus grandes que les trois galaxies précédemment situées à ces distances extrêmes. L’un d’entre eux est au moins six fois plus grand et mesure environ 2 000 années-lumière. À titre de comparaison, la Voie lactée a un diamètre d’environ 100 000 années-lumière, mais, a déclaré Wang, on pense que l’univers primitif a été très comprimé, il est donc surprenant que la galaxie soit aussi grande qu’elle l’est.

“Les galaxies découvertes précédemment à ces distances sont des sources ponctuelles : elles apparaissent sous la forme d’un point sur nos images”, a déclaré Wang.

“Mais l’une des nôtres apparaît allongée, presque comme une cacahuète, et l’autre ressemble à une boule pelucheuse. On ne sait pas si la différence de taille est due à la façon dont les étoiles se sont formées ou à ce qui leur est arrivé après leur formation, mais la diversité des étoiles “Les propriétés des galaxies sont vraiment intéressantes. On s’attend à ce que ces premières galaxies se soient formées à partir de matériaux similaires, mais elles montrent déjà des signes d’être très différentes les unes des autres.”

Les deux galaxies faisaient partie des 60 000 sources de lumière de l’amas de Pandore détectées dans l’une des premières images en champ profond du JWST prises en 2022, sa première année d’opérations scientifiques. Cette région de l’espace a été sélectionnée en partie parce qu’elle est située derrière plusieurs amas de galaxies qui créent un effet de grossissement naturel appelé lentille gravitationnelle.

L’attraction gravitationnelle de la masse combinée des amas déforme l’espace qui l’entoure, focalisant et agrandissant toute lumière qui passe à proximité et offrant une vue agrandie derrière les amas.

En quelques mois, l’équipe UNCOVER a réduit les 60 000 sources de lumière à 700 candidates à une étude de suivi, dont huit, pensaient-elles, pourraient potentiellement figurer parmi les premières galaxies. Ensuite, JWST a de nouveau pointé du doigt l’amas de Pandore, enregistrant les spectres des candidats, une sorte d’empreinte digitale détaillant la quantité de lumière émise à chaque longueur d’onde.

“Plusieurs équipes différentes utilisent différentes approches pour rechercher ces anciennes galaxies, et chacune a ses forces et ses faiblesses”, a déclaré Leja.

“Le fait que nous pointions cette loupe géante dans l’espace nous ouvre une fenêtre incroyablement profonde, mais c’est une très petite fenêtre, donc nous avons lancé les dés. Plusieurs des candidats n’étaient pas concluants, et au moins un était un cas de erreur d’identité – c’était quelque chose de beaucoup plus proche qui imite une galaxie lointaine. Mais nous avons eu de la chance, et deux se sont avérées être ces anciennes galaxies. C’est incroyable.

Les chercheurs ont également utilisé des modèles détaillés pour déduire les propriétés de ces premières galaxies lorsqu’elles émettaient la lumière détectée par JWST. Comme les chercheurs s’y attendaient, les deux galaxies étaient jeunes, contenaient peu de métaux dans leur composition, grandissaient rapidement et formaient activement des étoiles.

“Les premiers éléments ont été forgés dans le noyau des premières étoiles grâce au processus de fusion”, a déclaré Leja. “Il est logique que ces premières galaxies ne contiennent pas d’éléments lourds comme les métaux, car elles ont été parmi les premières usines à construire ces éléments lourds. Et, bien sûr, elles devraient être jeunes et en formation d’étoiles pour être les premières galaxies. , mais la confirmation de ces propriétés constitue un test de base important de nos modèles et contribue à confirmer l’ensemble du paradigme de la théorie du Big Bang. »

Les chercheurs ont noté qu’outre la lentille gravitationnelle, les puissants instruments infrarouges du JWST devraient être capables de détecter des galaxies situées à une distance encore plus grande, si elles existent.

“Nous avions une très petite fenêtre sur cette région et nous n’avons rien observé au-delà de ces deux galaxies, même si JWST en a la capacité”, a déclaré Leja. “Cela pourrait signifier que les galaxies ne se sont tout simplement pas formées avant cette époque et que nous ne trouverons rien plus loin. Ou cela pourrait signifier que nous n’avons pas eu assez de chance avec notre petite fenêtre.”

Ce travail est le résultat d’une proposition réussie soumise à la NASA suggérant comment utiliser JWST au cours de sa première année d’opérations scientifiques. Au cours des trois premiers cycles de soumissions, la NASA a reçu quatre à dix fois plus de propositions que ne le permettait le temps d’observation disponible sur le télescope et n’a dû sélectionner qu’une fraction de ces propositions.

“Notre équipe était très enthousiaste et un peu surprise lorsque notre proposition a été acceptée”, a déclaré Leja. “Cela impliquait de la coordination, une action humaine rapide et le télescope pointant deux fois sur la même chose, ce qui est beaucoup demander à un télescope au cours de sa première année. Il y avait beaucoup de pression car nous n’avions que quelques mois pour déterminer les objets à cibler. Mais JWST a été conçu pour trouver ces premières galaxies, et c’est tellement excitant de le faire maintenant.

Outre Penn State, l’équipe comprend des chercheurs de l’Université du Texas à Austin, de l’Université de technologie de Swinburne en Australie, de l’Université Ben Gourion du Néguev en Israël, de l’Université de Yale, de l’Université de Pittsburgh, de la Sorbonne Université en France, de l’Université de Copenhague au Danemark, l’Université de Genève en Suisse, l’Université du Massachusetts, l’Université de Groningue aux Pays-Bas, l’Université de Princeton, l’Université Waseda au Japon, l’Université Tufts et le laboratoire national de recherche en astronomie optique-infrarouge (NOIR).