Le télescope Webb impressionne par ses premières images : début d’une nouvelle ère scientifique en astronomie

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Enfin, les astronomes passionnés – et le public – peuvent voir des instantanés de l’univers fournis par le télescope spatial James Webb, le télescope spatial le plus grand, le plus complexe et le plus cher jamais construit. Hier, en avant-première, la Maison Blanche a publié une image, une image profonde hérissée de milliers de galaxies lointaines. Aujourd’hui, la NASA en a publié quatre autres qui démontrent la capacité de Webb à scruter les nuages ​​de gaz et les systèmes planétaires plus près de chez lui.

Figure 1. Le Quintette de Stephan est un groupe compact de quatre galaxies avec une autre au premier plan. Des filaments de gaz incandescent sont des signes d’ondes de choc lorsque les galaxies interagissent. Un jour, les quatre fusionneront probablement. © NASA ; ESA ; ASC ; STScI.

Les images – un produit du miroir géant, majestueux et plaqué or de Webb – sont non seulement plus nettes que celles du télescope spatial Hubble, mais sont également essentiellement différentes, capturant les longueurs d’onde infrarouges plus longues qui sont importantes pour de nombreuses branches de l’astronomie. Pour les ingénieurs et les concepteurs de Webb, qui ont enduré des années de retard et 6 mois éprouvants de lancement, de déploiement et de mise en service, le soulagement est palpable. “Je ressens un mélange d’excitation et d’émotion. [Webb] a vraiment livré, et il y aura une ruée vers de nouvelles découvertes”, déclare Brant Robertson de l’Université de Californie (UC), Santa Cruz, qui a aidé à développer la caméra proche infrarouge de Webb.Pour la plupart des astronomes, l’attente n’est pas encore terminée, car leurs observations programmées peuvent ne pas avoir lieu avant des semaines ou des mois. La chercheuse en exoplanètes Laura Kreidberg de l’Institut Max Planck d’astronomie (MPIA) fait partie des chanceux. Dans le cadre d’une large collaboration faisant de la “science de la publication précoce” avec Webb, elle pourra voir leur première tranche de données en 2 jours. Néanmoins, “c’est une longue attente du mardi au jeudi”, dit-elle. Mais jeudi après-midi, lorsque les données commencent à affluer, “je vais faire un grand pot de café, préparer des collations, et nous allons nous asseoir et regarder”.

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Conçu à l’origine dans les années 1990 et construit avec des contributions européennes et canadiennes, Webb semblait parfois être une mission maudite, secouée par des dépassements de coûts, des retards de calendrier et des problèmes techniques. En proie aux critiques, “il était difficile de maintenir l’équipe à la pointe de l’excellence”, a déclaré le chef scientifique de la NASA, Thomas Zurbuchen, lors d’un récent briefing. Mais après un lancement sans faute le 25 décembre 2021, ces épreuves sont presque oubliées. “Je ne pense pas qu’aucun d’entre nous ne s’attendait à ce que tout se passe bien”, déclare Zurbuchen.

La précision du lancement, sur une fusée européenne Ariane 5, signifiait que Webb n’avait pas besoin d’utiliser beaucoup de carburant pour les corrections de trajectoire et en avait maintenant plus pour se maintenir dans une poche gravitationnelle de l’autre côté de la Terre par rapport au Soleil, environ 1,5 million kilomètres de distance. Prévu comme une mission de 10 ans, Webb devrait maintenant durer au moins deux fois plus longtemps. Le lancement de l’instrument de 10 milliards de dollars n’a pas mis fin à la tension. Pour déployer son pare-soleil géant, faire pivoter six des 18 segments du miroir de 6,5 mètres de large en position et étendre le miroir secondaire sur ses flèches, les ingénieurs ont dû franchir quelque 300 marches, dont chacune aurait pu condamner la mission. “Chaque jour, le niveau de risque a diminué et ma capacité à dormir a augmenté”, explique Charlie Atkinson, ingénieur en chef du projet chez Northrop Grumman, le maître d’œuvre de la NASA pour la mission.

De minuscules moteurs ajustaient la position, l’inclinaison et la courbure des segments de miroir par fractions d’un cheveu jusqu’à ce qu’ils puissent se concentrer ensemble sur des cibles comme un seul miroir. Les opérateurs ont ensuite dû vérifier les quatre instruments de Webb, un mélange de caméras et de spectrographes, qui divisaient la lumière entrante en ses longueurs d’onde composantes. “Nous avons un observatoire en excellent état, qui répond ou dépasse les attentes”, a annoncé aujourd’hui Bill Ochs, chef de projet de Webb au Goddard Space Flight Center de la NASA. Tout ne s’est pas déroulé comme prévu. Certains problèmes informatiques ont nécessité une pause de quelques heures. Le miroir a été marqué par une poignée de micrométéorites – c’était prévu, mais l’un d’entre eux était plus gros que prévu par les modèles et les opérateurs s’efforcent d’atténuer son impact. ‘‘Il y a eu quelques problèmes”, déclare Ochs. “Mais quand tu as une bonne équipe, tu peux t’en sortir”.

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Le 21 juin, Webb prenait des données pour les 286 équipes de scientifiques qui s’étaient vu attribuer du temps sur le télescope au cours de sa première année, connue sous le nom de cycle un. “Nous avons une science incroyable dans la boîte”, déclare Zurbuchen. Les chercheurs ont rapporté avoir vu que certaines de leurs observations programmées avaient eu lieu, mais la NASA s’est assise sur les données jusqu’à cette semaine, lorsque la mise en service se termine officiellement. Maintenant, Atkinson dit : “Nous remettons les clés. C’est prêt. Allez faire de la science”.

Les images et les spectres publiés aujourd’hui sont le résultat d’un processus de sélection d’un an que Zurbuchen appelle “ascendant”. La NASA voulait montrer les capacités du télescope et offrir un avant-goût des différents domaines de l’astronomie qu’il transformera. Les responsables ont donc demandé aux équipes d’instruments et scientifiques une gamme d’objectifs qui montreraient “le meilleur de cette chose”, explique Zurbuchen. Quelque 70 ont été suggérés et ceux-ci ont été réduits par un comité aux cinq publiés jusqu’à présent.

Une image, de l’amas de galaxies SMAC 0723, montre la capacité de Webb à scruter les coins les plus éloignés de l’univers et donc les plus reculés dans le temps. Il montre un champ rempli de milliers de galaxies, certaines avec des formes déformées par le champ gravitationnel intense d’un amas de galaxies au premier plan. Un spectre d’une galaxie vieille de 13,1 milliards d’années sur l’image a montré qu’elle contenait de l’oxygène, de l’hydrogène et du néon, la galaxie la plus éloignée dont nous connaissons les constituants. Dominika Wylezalek de l’Université de Heidelberg qualifie l’image d‘époustouflante. “Le niveau de détail est vraiment époustouflant”. Hubble a vu beaucoup plus loin que ses concepteurs ne l’avaient jamais imaginé, espionnant une galaxie qui existait à peine 400 millions d’années après le big bang – 3% de l’âge actuel de l’univers. Mais Webb verra beaucoup plus de galaxies encore plus jeunes, non seulement à cause de son miroir plus grand, mais aussi à cause de sa sensibilité à la lumière infrarouge. Les photons émis par les premières étoiles sont étirés dans leur voyage par l’expansion de l’univers, les poussant dans des longueurs d’onde infrarouges que Hubble ne peut pas voir. Auparavant, explique Sarah Bosman de MPIA, “nous ne pouvions voir que les galaxies très brillantes, et les plus grosses. Avec Webb, nous verrons tout le tableau”.

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Les relevés galactiques aideront les astronomes à comprendre l’histoire des débuts de ces agglomérations : quand elles ont commencé à former des étoiles et à quelle vitesse elles se sont organisées en spirales en forme de disque comme la Voie lactée. “Webb est capable de combler les lacunes”, déclare Robertson. Webb aidera également à comprendre ce qui a ionisé l’hydrogène gazeux neutre qui remplissait l’univers avant que les étoiles ne s’allument. Au moment du milliardième anniversaire de l’univers, cet hydrogène était ionisé. Les astronomes pensent que c’était principalement le travail des photons ultraviolets à haute énergie de la première génération d’étoiles, qui étaient énormes et brillantes et constituées uniquement de cet hydrogène primordial. Mais Hubble n’a pas vu suffisamment de galaxies anciennes pour tenir compte des photons nécessaires. “Webb est la seule installation qui peut voir” cette première ère, dit Robertson.

Figure 2. La nébuleuse de l’anneau sud NGC 3132, est une coquille incandescente de gaz ionisé expulsée par une étoile géante en fin de vie. Une naine blanche en son centre – la cendre stellaire du géant – émet une lumière ultraviolette qui provoque la fluorescence de la nébuleuse, joue un rôle de soutien dans la sculpture de la nébuleuse environnante. Une deuxième étoile, à peine visible en bas à gauche le long d’un des pics de diffraction de l’étoile brillante, est la source de la nébuleuse. Il a éjecté au moins huit couches de gaz et de poussière pendant des milliers d’années. Mais l’étoile centrale brillante visible ici a contribué à “remuer” le pot, modifiant la forme des anneaux très complexes de cette nébuleuse planétaire en créant des turbulences. La paire d’étoiles est verrouillée sur une orbite étroite, ce qui conduit l’étoile plus faible à pulvériser le matériau éjecté dans une gamme de directions lorsqu’elles orbitent l’une autour de l’autre, ce qui donne ces anneaux dentelés. Des centaines de lignes droites et lumineuses traversent les anneaux de gaz et de poussière. Ces “projecteurs” émanent de l’étoile brillante et traversent les trous de la nébuleuse comme la lumière du soleil à travers les trous d’un nuage. Mais toute la lumière des étoiles ne peut pas s’échapper. La densité de la région centrale, rehaussée de bleu sarcelle, se traduit par sa transparence ou son opacité. Les zones plus sarcelles indiquent que le gaz et la poussière sont plus denses et que la lumière est incapable de se libérer. Les données de la caméra proche infrarouge de Webb (NIRCam) ont été utilisées pour créer cette image extrêmement détaillée. Il regorge d’informations scientifiques – et des recherches commenceront après sa publication. Ce n’est pas seulement une image nette d’une nébuleuse planétaire – cela nous montre également des objets dans les vastes distances de l’espace derrière elle. Les sections rouges transparentes de la nébuleuse planétaire – et toutes les zones à l’extérieur – sont remplies de galaxies lointaines. Recherchez la ligne angulaire brillante en haut à gauche. Ce n’est pas la lumière des étoiles – c’est une galaxie lointaine vue par la tranche. Des spirales lointaines, de formes et de couleurs variées, parsèment également la scène. Ceux qui sont les plus éloignés – ou très poussiéreux – sont petits et rouges. © NASA ; ESA ; ASC ; STScI.

Une autre des images publiées est celle du célèbre Quintette de Stephan, un amas de quatre galaxies en interaction à 290 millions d’années-lumière qui se trouve derrière une cinquième galaxie au premier plan. Vu avec Webb, il est possible de discerner du gaz incandescent et de la poussière chauffée par deux des galaxies fusionnantes et des zones de formation d’étoiles actives générées par cette agitation. “C’est ce type d’interaction qui détermine l’évolution des galaxies”, explique Giovanna Giardino de l’Agence spatiale européenne. Alice Shapley de l’UC Los Angeles utilisera le spectrographe proche infrarouge de Webb (NIRSpec) pour distinguer la lumière des galaxies afin de déterminer à quel point elles sont chaudes, comment elles se déplacent et de quoi elles sont faites. Elle s’intéresse aux faibles raies d’émission du gaz oxygène interstellaire, qui apparaissent sous forme de pics dans les spectres. L’oxygène est créé dans les étoiles massives et dispersé lorsqu’elles meurent. “Cela vous indique combien d’étoiles sont fabriquées”, dit-elle, et c’est un bon marqueur pour les flux de gaz entrant et sortant d’une galaxie.

Les informations aideront les chercheurs à comprendre pourquoi certaines galaxies sont des créateurs prolifiques d’étoiles, alors que d’autres sont maîtrisées ou même mortes. L’atmosphère terrestre obscurcit la vue de ces raies d’oxygène pour la plupart des spectrographes au sol. NIRSpec utilise un masque recouvert de minuscules obturateurs pour recueillir la lumière et générer des spectres de dizaines de galaxies simultanément, ce qui devrait augmenter d’un ordre de grandeur le nombre de galaxies avec des raies d’oxygène connues.‘Webb nous permet d’aller tellement plus loin”, dit Shapley. ”Ça va être incroyable”.

Misty Bentz, de la Georgia State University, testera une capacité NIRspec différente : prendre une «image» spectroscopique dans laquelle chaque pixel a son propre spectre distinct. Son projet consiste à regarder pendant 9 heures une seule galaxie, la proche NGC 4151, surnommée l’Œil de Sauron en raison de la lueur étrange du trou noir supermassif en son cœur, qui brille de mille feux lorsqu’il chauffe le gaz aspiré dans sa gueule. Bentz recherchera des changements subtils dans le spectre du gaz tourbillonnant qui révèlent la masse du trou noir, mettant en évidence la capacité de NIRSpec à prendre des spectres faibles du gaz tout en bloquant la zone lumineuse autour du trou noir lui-même. Webb étudiera également des cibles dans la Voie lactée, des objets comme la nébuleuse Carina, l’une des images publiées aujourd’hui. L’image de Webb de la vaste pépinière stellaire, à 7600 années-lumière de la Terre, contient des centaines d’étoiles nouvellement nées qui n’ont jamais été vues auparavant, ainsi que des tourbillons de poussière et de gaz secoués par le vent stellaire. Hubble a également photographié ce point de repère local, mais l’image de Webb contient “beaucoup plus de détails”, explique Amber Straughn, scientifique adjointe du projet à la NASA.

Au sein de telles pépinières stellaires, des amas denses de gaz s’effondrent progressivement pour former des étoiles. Melissa McClure de l’Observatoire de Leiden utilisera Webb pour scruter ces nuages ​​pour voir s’ils sont des usines de molécules complexes qui pourraient donner à la vie une longueur d’avance avant même que la formation des étoiles et des planètes ne commence. Des centaines de molécules différentes ont été détectées en tant que gaz, mais les gaz ne réagissent efficacement que s’ils sont congelés sur des grains de poussière interstellaires solides. Les grains sont comme des barres simples, blagues de McClure, où les atomes et les molécules simples vont se rejoindre. Jusqu’à présent, seule la glace de méthanol a été détectée dans l’espace, mais McClure s’attend à ce que Webb trouve régulièrement des glaces pour des molécules telles que le méthane et l’ammoniac. Le vrai prix serait de trouver des molécules complexes à base de carbone avec plus de six atomes, comme l’éthanol ou l’acétaldéhyde. “Une détection concluante serait vraiment géniale”, déclare McClure.

SMACS 0723 est un champ profond contenant des milliers de galaxies. La gravité des galaxies au premier plan agit comme une lentille pour grossir et déformer les galaxies plus éloignées. © NASA ; ESA ; ASC ; STScI.

Parmi les offres de la NASA cette semaine, le goût le plus alléchant de ce qui est à venir est le spectre d’une exoplanète. Il provient d’une planète géante connue sous le nom de WASP-96b en orbite près d’une étoile à 1150 années-lumière de la Terre. Lors de passages réguliers devant son étoile d’origine, une partie de la lumière des étoiles est absorbée par les gaz de l’atmosphère de WASP-96b, laissant des creux révélateurs dans le spectre de l’étoile. Les modèles théoriques suggèrent que du monoxyde et du dioxyde de carbone, ainsi que du méthane, pourraient être présents, mais Hubble et les télescopes au sol ne pouvaient pas les voir. Le premier spectre de WASP-96b montre des signatures claires de vapeur d’eau dans l’atmosphère de la planète, et des caractéristiques qui indiquent la présence de nuages et de brume de vapeur. Les astronomes devront attendre les futurs transits pour voir ce qu’il y a d’autre. “Je suis vraiment impatient de voir si les prédictions se confirment”, a déclaré Kreidberg.

À l’aide des télescopes spatiaux Hubble et Spitzer, les chercheurs n’ont pu observer que l’eau et le sodium dans les atmosphères d’exoplanètes. “C’était comme lire un poème et ne voir qu’un mot sur trois”, dit Kreidberg. On s’attend à ce que Webb trouve une multitude de molécules, dont certaines peuvent faire allusion à l’habitabilité potentielle d’une planète: monoxyde et dioxyde de carbone, méthane, ammoniac, phosphine, etc. Ils pourront sonder les atmosphères de tous les types de planètes, des Jupiter chauds aux mini-Neptunes, en passant par les planètes rocheuses comme la Terre. “Webb peut tout faire”, déclare Kreidberg. Des centaines de chercheurs sur les exoplanètes se préparent fébrilement au déluge de données attendu d’autres exoplanètes en transit, organisent des hackathons et des défis de données et conçoivent des pipelines de traitement de données. “Nous avons fait énormément de travail pour nous assurer que nous sommes prêts”, déclare Kreidberg. “Il n’y a pas de calme avant la tempête”.

Une petite fraction du temps de Webb ira aux objets du système solaire, mais pour des cibles si proches et si grandes – du point de vue de Webb – saturer les instruments est un vrai problème, explique Imke de Pater de l’UC Berkeley. Elle étudiera le mince anneau de Jupiter, qui peut encore onduler à la suite de l’impact de la comète Shoemaker-Levy 9 en 1994. L’imagerie du faible anneau à côté de la planète beaucoup plus brillante sera un défi, mais elle espère découvrir plus d’ondulations, qui pourrait signaler des impacts de comètes plus récents et invisibles. Le souhait le plus cher de De Pater serait de détecter de nouvelles lunes de quelques centaines de mètres de diamètre ou moins. “Ce serait un rêve”, dit-elle.

Pour beaucoup d’autres, le rêve est déjà devenu réalité – un effort qui a pris 30 ans et quelque 20 000 personnes à travers le monde pour porter ses fruits. “Au-delà de la science, [Webb] ravive un sentiment de beauté et d’émerveillement sur l’univers qui m’a inspiré à devenir astronome”, déclare Robertson. “Je ne pourrais pas être plus heureux”.

Source – doi : 10.1126/science.add9093

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