Dans leur quête pour comprendre les premières étoiles et galaxies qui ont illuminé le cosmos, les astronomes sont toujours dans le noir, mais se rapprochent de l’illumination une découverte à la fois.
C’est la conclusion presque incontournable de observations initiales par le télescope spatial James Webb (JWST), l’observatoire de 10 milliards de dollars qui a commencé ses opérations scientifiques en juillet. Conçue pour entrevoir la faible lueur infrarouge des premiers objets lumineux de l’univers, la vision de JWST remonte aux premières centaines de millions d’années après le big bang, ce qui lui permet d’obtenir des données plus nombreuses et de meilleure qualité sur les galaxies nouveau-nées que toute autre installation encore construite. Mais sa récolte de “photos de bébé” galactiques s’est avérée plus abondante que la plupart des chercheurs n’osaient en rêver. En termes simples, les galaxies candidates de l’univers primitif apparaissent en nombre qui défient les prédictions, avec des dizaines trouvées jusqu’à présent. Expliquer cet excès peut nécessiter des révisions substantielles des modèles cosmologiques dominants, des changements qui pourraient impliquer que les premières galaxies se forment plus tôt, leurs étoiles brillent plus fort – ou peut-être que la nature de la matière noire ou de l’énergie noire est encore plus complexe et mystérieuse qu’on ne le pensait auparavant.
Maintenant, deux des premières galaxies candidates les plus alléchantes du JWST ont résisté à un examen plus approfondi, renforçant les soupçons des scientifiques selon lesquels notre connaissance de l’histoire cosmique est crucialement incomplète. Datant de 350 millions et 450 millions d’années après le big bang, au moment de leur découverte, les deux galaxies étaient plus anciennes que toutes les autres connues auparavant. Ils ont été trouvés indépendamment par deux équipes, celui dirigé par Rohan Naidumaintenant au Massachusetts Institute of Technology, et le autre dirigé par Marco Castellano de l’Observatoire astronomique de Rome en Italie. Initialement publiés sur le serveur de préimpression arXiv.org, les deux articles de découverte ont maintenant franchi le principal obstacle de la publication à comité de lecture, chacun apparaissant dans le Lettres du journal astrophysique fin novembre et octobre, respectivement. C’est plus qu’une étape cérémonielle – les premiers problèmes d’étalonnage avec les instruments de JWST avaient alimente les inquiétudes parmi les astronomes que de telles découvertes avaient potentiellement mal calculé la distance réelle à ces galaxies, faisant d’elles des imposteurs plus modernes semblant seulement faire partie de la première coterie cosmique. Mais après un examen approfondi par les pairs, “nous pouvons dire avec une très bonne confiance que l’étalonnage n’est pas un problème pour ces galaxies”, a déclaré Castellano. «Ce sont des candidats très solides. Nous avons enfin résolu les problèmes d’étalonnage. Des observations de suivi seront cependant nécessaires pour confirmer absolument leurs distances record.
Entre-temps, les astronomes ont trouvé plusieurs autres galaxies candidates, certaines remontant apparemment à 200 millions d’années après le big bang. Avant le lancement de JWST, personne ne savait si les galaxies pouvaient même se former si tôt dans l’histoire de 13,8 milliards d’années de l’univers, à une époque où l’on pensait que la matière continuait à fusionner tranquillement dans les amas gravitationnels nécessaires pour donner naissance à de grands groupes d’étoiles. “Et donc nous nous demandons:” Comprenons-nous vraiment les premières phases de la formation de ces galaxies? “”, A déclaré Garth Illingworth, astronome à l’Université de Californie à Santa Cruz, lors conférence de presse tenue par la NASA pour annoncer la validation par les pairs des deux premiers candidats. “Cela a posé beaucoup de questions aux théoriciens.”
Le principal d’entre eux est de savoir comment, exactement, la matière noire a guidé l’émergence des galaxies. Pendant les premières centaines de milliers d’années après le big bang, le cosmos était si chaud que la gravité ne pouvait pas rassembler la matière normale pour former de grands amas protogalactiques. Pourtant, ce n’était «pas un problème pour la matière noire», explique Jorge Peñarrubia, cosmologiste à l’Université d’Édimbourg en Écosse, «car la matière noire n’interagit pas via des forces électromagnétiques». Au lieu de cela, seule la gravité est le maître de cette substance invisible, ce qui signifie que quelques instants après le big bang, alors que le chaos primordial régnait autrement, la gravité a immédiatement commencé à fusionner la matière noire en de grands amas appelés halos. On pense que ces halos de matière noire ont agi comme des puits gravitationnels pour la matière normale, semant la formation ultérieure de galaxies dans l’univers primitif. Les mouvements révélateurs des étoiles qu’ils surveillent trahissent leur endurance à ce jour. De tels halos entourent encore des galaxies comme les nôtres, sculpteurs majestueux mais invisibles du cosmos moderne.
La découverte rapide par JWST des premières galaxies pourrait tester notre compréhension de la formation de ces halos, suggérant peut-être qu’ils ont atteint un volume immense plus tôt que prévu. Une explication pourrait impliquer la nature même de la matière noire elle-même. Les théoriciens ont découvert que des traitements simples de la matière noire, dans lesquels elle n’interagit qu’avec elle-même et la matière normale via la gravité, peuvent reproduire avec précision une structure cosmique à grande échelle. Mais la nature n’a aucune garantie de simplicité. En réalité, la matière noire pourrait interagir avec elle-même à cause d’une force encore inconnue, peut-être via une particule qui n’est pas dans le modèle standard de physique actuel, augmentant peut-être la vitesse à laquelle ces halos se sont développés et expliquant à quel point les galaxies grandes et brillantes pouvaient surgir si vite.
Peut-être au lieu de cela, cependant, ces halos étaient-ils simplement plus efficaces pour attirer la matière régulière afin d’alimenter la formation d’étoiles. “Je pense que cela nous dit probablement quelque chose sur la façon dont les étoiles se forment dans les halos de matière noire au début”, déclare Peñarrubia. Aujourd’hui, notre galaxie produit environ une nouvelle étoile par an, mais l’article de Castellano suggère que les taux de formation d’étoiles doivent avoir été au moins 20 fois plus élevés dans ses deux galaxies candidates et celles de Naidu. Un autre article préimprimé dérivé du JWST postule que des galaxies de la taille de la Voie lactée auraient pu apparaître juste un demi-milliard d’années après le big bang– un scénario qui exigerait des taux de formation d’étoiles 10 fois plus élevés que les estimations de Castellano. Mais selon Michael Boylan-Kolchin, cosmologiste à l’Université du Texas à Austin, de tels taux démesurés de formation d’étoiles repoussent les limites de ce qui est physiquement possible. “Si ces valeurs sont correctes, vous devez avoir [galaxies] transformant toute leur masse en étoiles et formant des étoiles aussi vite qu’ils le pouvaient », dit-il.
Une possibilité peut-être plus plausible est que les étoiles étaient en quelque sorte plus efficaces pour accumuler de la masse dans l’univers primitif. Cela conduirait à des étoiles plus volumineuses et plus brillantes, améliorant la visibilité des premières galaxies à JWST. “Peut-être créez-vous tout un tas d’étoiles très, très massives”, déclare Stephen Wilkins, astronome à l’Université du Sussex en Angleterre. Il pourrait s’agir d’étoiles dites de la population III, les premières étoiles supposées de l’univers. Bien que les astronomes n’aient pas encore observé de manière concluante de telles étoiles, il existe de nombreuses preuves circonstancielles de leur existence. Émergeant de l’hydrogène et de l’hélium gazeux primordiaux qui envahissaient l’univers primitif, les étoiles de la population III manqueraient d’éléments plus lourds, ce qui leur permettrait d’atteindre des tailles gigantesques, des centaines de fois plus volumineuses que notre soleil. Mais comme les bougies les plus brillantes et les plus brèves, l’immensité de ces étoiles limiterait leur durée de vie à quelques millions d’années seulement, ce qui rend leur détection aujourd’hui difficile.
Il est possible, cependant, que certaines des galaxies les plus éloignées déjà découvertes par le JWST – et celles encore plus anciennes qui attendent encore d’être découvertes – puissent contenir des preuves d’étoiles de la population III. La luminosité de ces galaxies pourrait être attribuée à ces étoiles, qui seraient beaucoup plus chaudes et plus brillantes que les étoiles de la population II et de la population I suivantes, comme notre soleil, qui remplissent toutes deux notre univers moderne. “C’est tout à fait possible”, déclare Daniel Whalen, cosmologiste à l’Université de Portsmouth en Angleterre. Pour le savoir avec certitude, JWST devra effectuer un suivi spectroscopique de ces galaxies candidates plus éloignées – un processus fastidieux consistant à rassembler un spectre arc-en-ciel à partir de la lumière émise par une galaxie pour déterminer quels éléments chimiques sont présents dans ses étoiles constituantes. Une signature claire des étoiles de la population III, dit Whalen, pourrait être une caractéristique spectrale spécifique de l’hélium qui ne pourrait apparaître que dans les étoiles dont la température est supérieure à environ 100 000 degrés Celsius. “Ce serait la preuve d’une étoile massive de la population III”, dit-il.
Ces observations de suivi devraient commencer sous peu. Jeyhan Kartaltepe du Rochester Institute of Technology fait partie d’une équipe qui a été heure approuvée sur JWST pour suivre une poignée de premières galaxies candidates trouvées dans l’enquête Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS), pour laquelle Kartaltepe est l’un des principaux chercheurs. Ces candidats se distinguent par leurs décalages vers le rouge élevés – un étirement des longueurs d’onde de leur lumière causé par l’expansion de l’univers à travers le temps cosmique. Cela fait du suivi spectroscopique de Kartaltepe non seulement une sonde importante des populations stellaires des galaxies, mais aussi une autre «vérification de la réalité» de leur millésime cosmique. L’espoir est que les mesures permettront aux astronomes de “comprendre les taux de formation d’étoiles et l’âge des étoiles”, a déclaré Kartaltepe. Le programme, qui devrait commencer au plus tôt fin décembre, utilisera huit heures de temps JWST pour obtenir les spectres de trois galaxies cibles. De nombreux autres programmes de ce type sont attendus à l’avenir.
D’autres idées plus intrigantes ne manquent pas. Si JWST découvre que l’éclatement précoce apparent de la formation massive de galaxies a soudainement diminué au cours des époques cosmiques suivantes, cela pourrait suggérer que l’univers était en expansion plus vite que prévu à l’époque – peut-être deux fois plus vite que prévu par les estimations consensuelles actuelles, explique Nicola Menci, astronome à l’Observatoire astronomique de Rome. Cela pourrait être lié à l’influence d’une variété particulière (et jusqu’à présent entièrement hypothétique) d’énergie noire, qui est la force énigmatique et mystérieuse qui semble conduire l’expansion accélérée de l’univers. Soi-disant modèles fantômes d’énergie noire permettre à sa puissance de fluctuer à travers le temps cosmique. Si de tels modèles sont valides, ils suggèrent que l’influence de l’énergie noire sur l’expansion de l’univers aurait pu être beaucoup plus grande peu après le big bang qu’elle ne l’est aujourd’hui. Les premiers résultats de JWST “semblent contraster avec la plupart des modèles logiques que nous avons envisagés jusqu’à présent”, déclare Menci, à savoir Lambda Cold Dark Matter (Lambda-CDM), le modèle théorique incorporant les meilleures estimations actuelles des cosmologistes pour les propriétés de l’obscurité. la matière et l’énergie noire et leurs effets sur l’évolution cosmique.
De telles idées, bien qu’apparemment farfelues, ne peuvent pas encore être entièrement exclues alors que les astronomes continuent de se débattre avec la prévalence des galaxies candidates dans l’univers primitif. Certaines se révéleront probablement être des mirages, des galaxies beaucoup plus proches se faisant passer pour des galaxies plus éloignées car elles contiennent de grandes quantités de poussière, ce qui provoque également un décalage vers le rouge de leur lumière. Pourtant, le suivi initial de l’une des galaxies de Castellano et de Naidu à l’aide de l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) au Chili a suggéré peu de preuves d’une teneur aussi élevée en poussière. “Bien que les résultats d’ALMA soient intéressants, JWST est le seul instrument capable de donner des réponses définitives sur ces galaxies”, déclare cependant Castellano.
Des observations de suivi supplémentaires de galaxies comme celles-ci pourraient être effectuées au cours de la première année scientifique du JWST, le cycle 1, qui se déroule jusqu’en juin 2023. Des résultats plus intéressants pourraient survenir dans sa deuxième année de science, Cycle 2, pour laquelle les astronomes peuvent désormais proposer des programmes par un délai du 27 janvier 2023. “Le suivi spectroscopique avec JWST est essentiel et devrait dominer les demandes sur les galaxies lointaines au cours du cycle 2”, déclare Illingworth. « Nous avons un problème, et il est réel : d’où diable viennent ces choses brillantes ? Ils n’étaient pas dans le livre de contes. Nous devons vraiment comprendre ce qui se passe ici.
Note de l’éditeur (08/12/22) : Cet article a été modifié après sa publication pour supprimer les citations qui ont été rétractées par une source.