Sur 25 décembre 2021après plusieurs années d’attente, le Télescope spatial James Webb (JWST) enfin lancé dans l’espace. Au cours du sixième mois qui a suivi, cet observatoire de nouvelle génération a déployé ses Pare-soleila déployé son primaire et miroirs secondairesa aligné son segments de miroiret a volé jusqu’à sa position actuelle au Point de Lagrange 2 Terre-Soleil (L2). Le 12 juillet 2022, le premières images ont été publiés et ont présenté les vues les plus détaillées de l’Univers. Peu de temps après, la NASA a publié une image du galaxie la plus lointaine jamais observé (qui existait à peine 300 millions d’années après le Big Bang).
Selon un nouvelle étude par une équipe internationale de scientifiques, le JWST permettra aux astronomes d’obtenir des mesures de masse précises des premières galaxies. Utilisation des données de James Webb Caméra proche infrarouge (NIRCam), qui a été fourni par le biais du GLASS-JWST-Early Release Science (GLASS-ERT), l’équipe a obtenu des estimations de masse de certaines des galaxies lointaines qui étaient plusieurs fois plus précises que les mesures précédentes. Leurs découvertes illustrent comment Webb va révolutionner notre compréhension de la croissance et de l’évolution des premières galaxies de l’Univers.
L’équipe de recherche (dirigée par Paola Santini du Observatoire astronomique de Rome) comprenait des membres du Institut national d’astrophysique (INAF) en Italie, le ASTRO 3D collaboration (Australie), la Institut national de recherche astronomique de Thaïlande (ARIT), le Institut Kavli d’astrophysique des particules et de cosmologie (KIPAC), le Centre de l’aube cosmique (AUBE), la Institut Niels Bohr, L’Institut Carnegie pour les sciencesla Centre de traitement et d’analyse infrarouge à Caltech, et des universités et instituts aux États-Unis, en Europe, en Australie et en Asie.
Comme ils l’indiquent dans leur étude, la masse stellaire est l’une des propriétés physiques les plus importantes (sinon la most) pour comprendre la formation et l’évolution des galaxies. Il mesure la quantité totale d’étoiles dans une galaxie, qui sont constamment ajoutées par la conversion du gaz et de la poussière en nouvelles étoiles. C’est donc le moyen le plus direct de suivre la croissance d’une galaxie. En comparant les observations des galaxies les plus anciennes de l’Univers (celles situées à plus de 13 milliards d’années-lumière), les astronomes peuvent étudier l’évolution des galaxies.
Malheureusement, l’obtention de mesures précises de ces premières galaxies est un problème permanent pour les astronomes. En règle générale, les astronomes effectueront des mesures du rapport masse-lumière (M/L) – où la lumière produite par une galaxie est utilisée pour estimer la masse totale des étoiles qu’elle contient – plutôt que de calculer les masses stellaires source par source. base. A ce jour, les études menées par Hubble des galaxies les plus lointaines – comme GN-z11qui se sont formés il y a environ 13,5 milliards d’années – étaient limités au spectre ultraviolet (UV).
En effet, la lumière de ces anciennes galaxies subit un redshift important au moment où elle nous atteint. Cela signifie que lorsque la lumière voyage dans l’espace-temps, sa longueur d’onde est allongée en raison de l’expansion du cosmos, la déplaçant efficacement vers l’extrémité rouge du spectre. Pour les galaxies dont la valeur de décalage vers le rouge (z) est de sept ou plus – à une distance de 13,46 années-lumière ou plus – une grande partie de la lumière sera décalée au point où elle n’est visible que dans la partie infrarouge du spectre. Comme Santini l’a expliqué à Universe Today par e-mail :
“La majeure partie des étoiles dans les galaxies, celles qui contribuent principalement à sa masse stellaire, émettent à des longueurs d’onde optiques dans le proche infrarouge (NIR)… [B]ans le temps que met la lumière à voyager d’une galaxie lointaine jusqu’à nos télescopes, la lumière émise par ses étoiles n’est plus dans le régime optique. Par exemple, pour une galaxie az=7, la lumière initialement émise à 0,6 micron atteint notre télescope avec une longueur d’onde de 4,8 microns. Plus le décalage vers le rouge est élevé (c’est-à-dire plus la galaxie est éloignée), plus cet effet est fort.
“Cela implique que nous avons besoin de détecteurs infrarouges pour mesurer les masses stellaires des galaxies (la lumière émise par la majeure partie de leurs étoiles est hors de portée de la Le télescope spatial Hubble). Le seul télescope infrarouge que nous avions avant l’avènement du JWST était le télescope spatial Spitzer, abandonné il y a quelques années. Cependant, son miroir de 85 cm n’était pas comparable au miroir de 6,5 m du JWST. La plupart des galaxies lointaines étaient également hors de portée de Spitzer : en raison de sa sensibilité et de sa résolution angulaire limitées, elles n’étaient pas détectées (ou affectées par des niveaux de bruit élevés) sur ses images.
De plus, les relevés précédents étaient susceptibles de manquer une grande partie des galaxies intrinsèquement rouges qui sont riches en poussière (qui obscurcit la lumière) et faibles dans le spectre UV. Par conséquent, les estimations précédentes de la densité de masse stellaire des étoiles cosmiques de l’Univers primitif pourraient être faussées par un facteur allant jusqu’à six. Mais grâce à sa suite avancée d’instruments infrarouges et à sa sensibilité inégalée, le JWST est sur le point d’ouvrir “une nouvelle fenêtre” (comme l’a dit Santini) dans l’étude des galaxies les plus anciennes et les plus faibles de l’Univers. Comme Santini l’a exprimé, Webb permettra les toutes premières mesures de précision des masses galactiques jusqu’aux distances les plus éloignées :
“En raison de toutes ces limitations dans la mesure de la masse stellaire, une approche couramment utilisée avant le lancement de JWST consistait à convertir la lumière UV (qui est facilement mesurée par TVH) en une estimation de la masse stellaire en supposant un rapport masse/lumière UV moyen. La relation masse-lumière a été calibrée avec les mesures peu nombreuses et incertaines dont nous disposions, et elle n’était représentative que des populations de galaxies qui étaient plus facilement observables (jeunes galaxies sans poussière). Les mesures de masse stellaire étaient donc sujettes à de grandes incertitudes (à la fois lorsqu’elles sont mesurées directement, et encore plus lorsqu’elles sont déduites de la lumière UV).
Pour leur étude, Santini et son équipe internationale de chercheurs se sont appuyés sur des images acquises par NIRCam les 28 et 29 juin 2022, dans le cadre de sa première série d’observations. Ils ont ensuite mesuré la masse stellaire de 21 galaxies distantes (dont le décalage vers le rouge variait de 6,7 à 12,3) en sondant leur émission UV et leur lumière optique décalée vers le rouge. Comme Santini l’a indiqué, cela leur a permis d’éviter les grandes extrapolations et les incertitudes des enquêtes passées et a augmenté la précision de leurs mesures de masse d’un facteur de 5 à 10.
“En comparant les masses stellaires avec la lumière UV (mesurée avec les bandes NIRCam les plus bleues), nous avons constaté que le rapport M/L est loin d’être approximable avec une seule valeur moyenne”, a-t-il déclaré. « Au lieu de cela, il s’étend sur environ deux ordres de grandeur pour une luminosité donnée. D’un point de vue physique, cette découverte suggère que la population des premières galaxies était largement hétérogène, les galaxies présentant une grande variété de conditions physiques.
Ces résultats font partie d’une collection croissante d’études scientifiques issues des premières observations de James Webb, qui montrent à quel point la mission sera cruciale. Dans ce cas, la possibilité d’offrir des estimations plus strictes de la masse stellaire dans les galaxies aidera grandement les astronomes engagés dans l’étude du cosmos à l’échelle la plus grande et la plus longue (c’est-à-dire la cosmologie). Santini dit :
« L’implication majeure est que les résultats précédents concernant le processus de croissance de masse dans les galaxies pourraient être affectés par une systématique importante. Dans notre travail, nous évaluons, par exemple, le niveau d’incertitude systématique affectant la densité de masse stellaire cosmique. Ce dernier décrit la croissance globale des galaxies dans l’Univers en fonction du temps. Son appréciation aux époques anciennes est sujette à de grandes variations d’une œuvre à l’autre. Nous avons constaté que l’incertitude systématique résultant de l’hypothèse d’un rapport masse-lumière standard peut être aussi élevée qu’un facteur de quelques-uns, certainement trop grand par rapport au niveau de précision que nous visons à atteindre, et cela pourrait au moins en partie expliquer l’inadéquation des résultats de la littérature.
Jusqu’à présent, Webb a démontré ses capacités optiques en capturant les images les plus claires et les plus détaillées du cosmos, qui conduisent déjà à de nouvelles découvertes. Ses spectromètres ont obtenu des spectres d’une exoplanète lointaine, démontrant comment il aidera à la caractérisation des atmosphères d’exoplanètes et déterminera si elles sont vraiment “habitables”. Cette dernière étude montre qu’elle jouera également un rôle essentiel dans la détermination des caractéristiques des premières galaxies de l’Univers, de leur évolution depuis et du rôle possible joué par la matière noire et l’énergie noire.
Lectures complémentaires : arXiv
