Le télescope spatial Webb découvre des galaxies qui défient les théories astronomiques

Des observations ultérieures dans l’amas de Pandora ont confirmé l’existence des deuxième et quatrième galaxies les plus éloignées de tous les temps, plus grandes que les autres galaxies trouvées à des distances aussi extrêmes.

Les deuxième et quatrième galaxies les plus éloignées jamais découvertes ont été découvertes dans une région de l’espace connue sous le nom d’amas de Pandore, ou Abell 2744, à l’aide de données de… NASAc’est Télescope spatial James Webb (JWST). Dans une image de suivi en champ profond de la région (voir image ci-dessous), une équipe internationale dirigée par des chercheurs de Penn State a confirmé la distance de ces anciennes galaxies et déduit leurs propriétés à l’aide de nouvelles données spectroscopiques – des informations sur la lumière émise à travers le spectre électromagnétique –. de JWST. Situées à environ 33 milliards d’années-lumière, ces galaxies incroyablement lointaines offrent un aperçu de la formation des premières galaxies.

Apparence et signification uniques

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 aujourd’hui (13 novembre) dans la revue Lettres de journaux astrophysiques.

Les astronomes estiment qu’il y a 50 000 sources de lumière proche infrarouge représentées dans cette image en champ profond de l’amas de Pandora prise par le télescope spatial James Webb de la NASA. Sa lumière a parcouru différentes distances pour atteindre les détecteurs du télescope, représentant l’immensité de l’espace en une seule image. Crédit : Science : NASA, ESA, CSA, Ivo Lappé (Swinburne), Rachel Bezanson (Université de Pittsburgh), Traitement d’image : Alyssa Pagan (STScI)

« On sait très peu de choses sur l’univers primitif, et la seule façon d’en apprendre davantage sur cette époque et de tester nos théories sur la formation et la croissance précoce des galaxies est d’étudier ces galaxies très lointaines », a déclaré le premier auteur, Bingyi Wang, chercheur postdoctoral à l’Université de Washington. Pennsylvanie. Eberly State College of Science et membre de Équipe JWST UNCOVER (observations Ultradeep NIRSpec et NIRCam avant l’ère de la réionisation) qui a mené la recherche. « Avant notre analyse, nous ne connaissions que 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’on peut en apprendre.

Un aperçu du premier univers

Parce que la lumière de ces galaxies a dû voyager longtemps pour atteindre la Terre, elle ouvre une fenêtre sur le passé. L’équipe de recherche estime que la lumière découverte par le télescope spatial James Webb 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 télescope spatial James Webb. Mais les chercheurs ont déclaré que 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 celle de la Terre », a déclaré Joel Lyja, professeur adjoint d’astronomie et d’astrophysique à Penn State et membre d’UNCOVER. « Ces premières galaxies sont comme des phares, la lumière jaillissant à travers le très mince hydrogène gazeux qui constituait l’univers primitif. Ce n’est que grâce à leur lumière que nous pouvons commencer à comprendre l’étrange physique qui régnait sur la galaxie à l’approche de l’aube cosmique. »

Grâce au télescope spatial James Webb, les scientifiques ont découvert deux galaxies lointaines dans l’amas de Pandore, offrant ainsi de nouvelles perspectives sur l’univers primitif. Ces galaxies, uniques par leur taille et leur apparence, remettent en question notre compréhension de la formation des galaxies au début de l’univers. Crédit : NASA

Il convient de noter que les deux galaxies sont beaucoup plus grandes que les trois galaxies existantes à ces grandes distances. L’une d’elles est au moins six fois plus grande et mesure environ 2 000 années-lumière. En comparaison, Voie Lactée La galaxie mesure environ 100 000 années-lumière, mais Wang pense que l’univers primitif était très compact, il est donc surprenant qu’elle puisse être aussi grande.

« 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 semble allongée, presque comme une cacahuète, et l’autre ressemble à une boule mince. On ne sait pas clairement 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.

Méthodologie de recherche

Les deux galaxies faisaient partie des 60 000 sources de lumière de l’amas de Pandora découvertes dans l’une des premières images en champ profond prises par le télescope spatial James Webb en 2022, la première année d’opérations scientifiques. Cette région de l’espace a été choisie en partie parce qu’elle se trouve derrière de nombreux amas de galaxies qui créent un effet de grossissement naturel appelé lentille gravitationnelle. La force gravitationnelle de la masse combinée des amas déforme l’espace qui les entoure, focalisant et amplifiant toute lumière qui passe à proximité d’eux 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 pour une étude de suivi, dont huit pourraient, selon elles, figurer parmi les premières galaxies. Ensuite, le télescope spatial James Webb a de nouveau pointé vers l’amas de Pandora, enregistrant les spectres des candidats, une sorte d’empreinte digitale qui détaille la quantité de lumière émise à chaque longueur d’onde.

« Plusieurs équipes utilisent différentes méthodes pour rechercher ces anciennes galaxies, chacune avec ses propres forces et faiblesses », a déclaré Leija. « Le fait que nous pointions cette loupe géante vers l’espace nous ouvre une fenêtre incroyablement profonde, mais c’est une très petite fenêtre, donc nous avons lancé les dés. De nombreux candidats n’étaient pas concluants, et au moins l’un d’entre eux était un cas.  » « Cela simule une galaxie lointaine. Mais nous avons eu de la chance, et deux d’entre elles se sont avérées être ces galaxies anciennes. C’est incroyable. »

Propriétés et effets

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

« Les premiers éléments se sont formés dans le noyau des premières étoiles grâce au processus de fusion », a déclaré Lyga. « Il va de soi que ces premières galaxies ne contenaient pas d’éléments lourds tels que les métaux, car elles étaient parmi les premières usines à construire ces éléments lourds. Bien sûr, elles devraient être jeunes et former des étoiles pour être les premières galaxies, mais confirmant ces propriétés constituent un test fondamental important de nos modèles et aident à confirmer le modèle complet des galaxies. le Big Bang théorie. »

Combinés à la lentille gravitationnelle, les puissants instruments infrarouges du télescope spatial James Webb devraient être capables de détecter des galaxies plus éloignées, si elles existent, ont noté les chercheurs.

« Nous avions une très petite fenêtre sur cette région et nous n’avons rien observé en dehors de ces deux galaxies, même si le télescope spatial James Webb en a la capacité », a déclaré Leja. « Cela pourrait signifier que les galaxies ne se sont pas formées avant et que nous ne trouverions rien plus loin. Ou cela pourrait signifier que nous n’avons tout simplement pas eu assez de chance à cause de notre petite fenêtre. »

Ce travail était le résultat d’une proposition réussie soumise à la NASA proposant comment le télescope spatial James Webb pourrait être utilisé au cours de sa première année d’opérations scientifiques. Au cours des trois premières séries 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 partie de ces propositions.

« Notre équipe était très enthousiaste et un peu surprise lorsque notre proposition a été acceptée », a déclaré Leija. « Cela impliquait de la coordination, une action humaine rapide et le fait de pointer le télescope deux fois vers le même objet, ce qui est beaucoup demander à un télescope au cours de sa première année. Il y avait beaucoup de pression parce que nous n’avions que quelques mois pour décider quelles choses Le télescope spatial James Webb travaille à la recherche de ces premières galaxies, et c’est très excitant de le faire maintenant.

Référence : « Détection : Faire la lumière sur l’univers primitif — Confirmation JWST/NIRSpec de la galaxie z>12 » par Benjie Wang, 冰洁王, Seiji Fujimoto, Ivo Lappé, Lukas J. Furtak, Tim B. Miller, David J. Seaton, Adi Zittrain, Hakim Atiq, Rachel Besançon, Gabriel Brammer, Joel Leja, Pascal A. Osch, Sedona H. Price, Irina Chemerinska, Sam E. Cutler, Pratika Dayal, Peter van Dokkum, Andy de Golding, Jenny E. Vert, Y. . Vodamoto, Gaurav Khullar, Vasiliy Kokorev, Danilo Marchesini, Richard Pan, John R. Weaver, Katherine E. Whittaker et Christina C. Williams, 13 novembre 2023, Lettres de journaux astrophysiques.
est ce que je: 10.3847/2041-8213/acfe07

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 et de l’Université Ben Gourion du Néguev en Israël. Université de YaleUniversité de Pittsburgh, Sorbonne Université en France, Université de Copenhague au Danemark, Université de Genève en Suisse, Université du Massachusetts, Université de Groningen aux Pays-Bas, université de PrincetonUniversité Waseda au Japon, Université Tufts et recherche du Laboratoire national d’astronomie optique et infrarouge (NOIR).

Ce travail a été soutenu par la NASA, la US-Israel Bi-Science Foundation, la National Science Foundation des États-Unis, le ministère israélien de la Science et de la Technologie, le Centre national français d’études spatiales, l’Institut national français des géosciences et d’astronomie et le Research Centre. La Fondation pour l’avancement de la science, le Conseil néerlandais de la recherche, la Commission européenne et l’Université de Groningue dans le financement conjoint du programme Rosalind Franklin, de l’Observatoire astronomique national du Japon et du laboratoire NOIR.