Comment le télescope James Webb peut-il étudier l’Univers primitif ?

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Lorsque les astronomes utilisent un télescope pour regarder plus loin, ils regardent également dans le temps.

Lorsque nous regardons dans l’univers, nous voyons une variété de formes de galaxies : certaines avec de magnifiques bras en spirale, d’autres qui semblent briller comme des ampoules géantes. Ces galaxies spirales et elliptiques n’ont cependant pas toujours eu ces formes familières ; les galaxies de l’univers primitif étaient probablement de petits amas informes. Une grande question en astronomie est de savoir comment ces premiers et modestes groupements d’étoiles ont évolué pour devenir les grandes structures que nous voyons aujourd’hui.

La collision des galaxies des Antennes a déclenché la formation de millions d’étoiles. Les observations infrarouges de cette image montrent des nuages ​​​​de poussière chauds chauffés par des étoiles nouveau-nées, les nuages ​​les plus brillants se trouvant dans la région de chevauchement entre les galaxies. Crédit : © NASA, ESA et Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration ; remerciements : B. Whitmore (STScI).

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Lorsque les astronomes utilisent un télescope pour regarder plus loin, ils regardent également dans le temps. La raison est simple : la lumière a besoin de temps pour voyager dans l’espace. Même la lumière de la Lune a 1,3 seconde quand nous la voyons sur Terre. Les galaxies les plus éloignées que le télescope spatial Hubble a observées sont à plus de 13 milliards d’années-lumière. Cela signifie que la lumière capturée par Hubble a quitté ces galaxies il y a plus de 13 milliards d’années.

Mais il y a une autre complication. Au fur et à mesure que l’univers s’étend, la lumière s’étire dans des longueurs d’onde de plus en plus longues, au-delà de la partie visible du spectre, dans l’infrarouge. Au moment où la lumière visible des galaxies extrêmement lointaines nous parvient, elle apparaît sous forme de lumière infrarouge. Hubble peut détecter une certaine lumière infrarouge, les longueurs d’onde les plus proches de l’extrémité rouge du spectre visible. Le télescope spatial James Webb observe exclusivement les longueurs d’onde infrarouges, voyant plus profondément dans cette partie du spectre que Hubble.

Là où Hubble voit de jeunes galaxies, Webb peut nous montrer des nouveau-nés. Webb est conçu pour observer les premières étapes de la formation des galaxies et les astronomes espèrent que cela leur permettra d’étudier la formation des toutes premières galaxies. Webb a pu montrer comment les petites galaxies de l’univers primitif ont fusionné pour former de plus grandes galaxies. Enfin, là où Hubble ne voit que les valeurs aberrantes les plus brillantes de cette époque ancienne, Webb est capable de révéler beaucoup plus de la population générale d’étoiles et de galaxies au cours de cette période. Cet échantillon élargi des premières galaxies donnera aux astronomes une meilleure idée de l’apparence des galaxies à leur naissance et les aidera à cartographier la structure globale de l’univers.

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La lumière que nous pouvons voir avec nos yeux ne représente qu’une très petite partie de la gamme continue des ondes électromagnétiques qui forment le spectre électromagnétique. Crédit : © NASA et J. Olmsted (STScI). Obtenez le spectre électromagnétique complet dans la galerie de ressources.

Là où Hubble voit de jeunes galaxies, Webb peut nous montrer des nouveau-nés. Webb est conçu pour observer les premières étapes de la formation des galaxies et les astronomes espèrent que cela leur permettra d’étudier la formation des toutes premières galaxies. Webb a pu montrer comment les petites galaxies de l’univers primitif ont fusionné pour former de plus grandes galaxies. Enfin, là où Hubble ne voit que les valeurs aberrantes les plus brillantes de cette époque ancienne, Webb est capable de révéler beaucoup plus de la population générale d’étoiles et de galaxies au cours de cette période. Cet échantillon élargi des premières galaxies donnera aux astronomes une meilleure idée de l’apparence des galaxies à leur naissance et les aidera à cartographier la structure globale de l’univers.

L’Univers caché

Les instruments infrarouges de Webb lui permettent de voir à l’intérieur des régions des galaxies qui sont obscurcies par la poussière lorsqu’elles sont vues en lumière visible, éclairant le processus et le contexte de la formation des étoiles. Webb étudiera également les régions de naissance des étoiles dans des galaxies fusionnantes comme les galaxies des antennes (photo ci-dessus), révélant comment ces rencontres galactiques déclenchent et modifient le cours de la formation des étoiles lorsque leurs composants gazeux entrent en collision et se mélangent.

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L’image eXtreme Deep Field de Hubble combine une décennie d’observations de Hubble, dont certaines prises dans le proche infrarouge, pour créer l’une des images les plus profondes de l’univers jamais assemblées, couvrant 13,2 milliards d’années de formation de galaxies. Environ 5 000 galaxies apparaissent sur cette image. Crédit : NASA, ESA, G. Illingworth, D. Magee et P. Oesch (Université de Californie, Santa Cruz), R. Bouwens (Université de Leiden) et l’équipe HUDF09.

En plus d’étudier les pépinières stellaires précédemment enveloppées, les astronomes peuvent utiliser Webb pour explorer une ère connue sous le nom d’âge sombre et la période qui la suit immédiatement, la période de réionisation. Environ 378 000 ans après le Big Bang, alors que l’univers se refroidissait et se dilatait, les électrons et les protons ont commencé à se lier pour former des atomes d’hydrogène. Alors que la dernière lumière du Big Bang s’est estompée, l’univers aurait été un endroit sombre, sans sources de lumière dans le gaz d’hydrogène de refroidissement. Finalement, le gaz a fusionné pour former des étoiles et éventuellement des galaxies. Au fil du temps, la majeure partie de l’hydrogène a été “réionisée”, le transformant en protons et en électrons et permettant à la lumière de voyager à nouveau dans l’espace.

Les astronomes ne savent actuellement pas si l’énergie responsable de la réionisation provient des étoiles des galaxies en formation précoce, des gaz chauds entourant les trous noirs ou d’une source encore plus exotique telle que la matière noire en décomposition. Les capacités infrarouges de Webb lui permettent d’identifier les sources qui ont donné lieu à la réionisation, et peut-être de voir les étoiles et les galaxies brillantes appelées quasars qui ont libéré suffisamment d’énergie pour réilluminer l’univers.

Source : Webb Space Telescope.

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