JWST, enfin, répond à nos plus grandes questions cosmiques

Si vous voulez savoir à quoi ressemble l'Univers, il vous suffit de regarder. Plus vos yeux sont bons, mieux vous verrez, c'est pourquoi bon nombre de nos progrès en astronomie se sont chevauchés avec les progrès et les améliorations de nos télescopes optiques. Nous les avons construits de plus en plus grands, avec des télescopes de classe 8 à 10 mètres actuellement en tête du monde depuis le sol, et avec des télescopes de classe 30 mètres en route. Nous avons équipé ces télescopes d'instruments plus performants et plus sensibles qui tirent le meilleur parti de chaque quantum de lumière qu'ils collectent, en tirant parti de différents filtres de longueur d'onde, de la spectroscopie et d'une variété d'autres techniques avancées.

Au sol, nous avons développé des systèmes d'optique adaptative sans précédent pour "dé-flouer" les distorsions imposées par l'atmosphère, et dans certains cas, nous sommes même allés au-dessus de l'atmosphère et dans l'espace. Avec de meilleurs yeux, plus l'Univers devient net.

Mais il y a une limite à ce que vous pouvez faire avec les télescopes optiques, et ces limites sont fixées par l'Univers lui-même. Au fur et à mesure que l'Univers s'étend, la longueur d'onde de la lumière qui le traverse s'étire, et cet étirement devient très important plus un objet est éloigné. La lumière ultraviolette est étirée dans l'optique puis au-delà : dans l'infrarouge. C'est là qu'intervient le télescope spatial James Webb (JWST). Avec ses yeux infrarouges et sa position lointaine dans l'espace, il révèle véritablement l'Univers tel que nous rêvions de le voir, rempli d'énormes avancées et de surprises.

Depuis la Terre, nous sommes sévèrement limités par les types de lumière qui peuvent être transmises à travers l'atmosphère. Nous pouvons très bien voir la lumière optique, mais seulement de petites fractions des parties ultraviolette et proche infrarouge du spectre. Nous ne pouvons voir presque aucune lumière de rayons X ou gamma, et presque aucune lumière infrarouge moyen, infrarouge lointain ou micro-ondes, avant que les choses ne redeviennent claires dans la radio. C'est l'énorme avantage de l'espace : non seulement vous supprimez les effets de flou de l'atmosphère terrestre, mais certaines longueurs d'onde très importantes de la lumière sont complètement inobservables depuis le sol.

Hubble a fourni une quantité remarquable de données, non seulement dans les longueurs d'onde optiques, mais également dans le proche infrarouge. La raison pour laquelle Hubble ressemble à une "boîte de conserve" de près est parce que nous voulons qu'il soit froid : pour refléter autant que possible la lumière et la chaleur qui le rencontrent. La lumière infrarouge est ce que nous ressentons comme de la chaleur, et nous savons que si les choses deviennent suffisamment chaudes, elles brilleront dans la lumière visible : rouge, orange, jaune ou même blanc à bleu s'il fait suffisamment chaud. Même si vous ne pouvez pas le voir briller dans la lumière visible, des objets comme le télescope spatial Hubble émettent des quantités substantielles de lumière dans l'infrarouge. En conséquence, malgré les efforts de réflexion qui ont été faits avec Hubble, il n'est capable d'observer qu'environ ~ 2 microns de longueur d'onde avant que le bruit thermique ne submerge les instruments.

C'est pourquoi JWST est si remarquable à bien des égards, du moins du point de vue d'un astronome.

Afin de sonder ces longueurs d'onde dans l'infrarouge moyen, l'instrument qui utilise ces données (MIRI : l'instrument dans l'infrarouge moyen) doit être encore plus refroidi ; c'est le seul système qui est activement refroidi à bord de JWST, jusqu'à ~ 6-7 K. JWST, armé de ces capacités, est capable de voir des galaxies trop éloignées, trop faibles et dont la lumière a été étirée trop longtemps une longueur d'onde par l'Univers en expansion pour être vue par Hubble.

Mais il ne serait pas clair à quel point JWST serait bon, par rapport à ses prédécesseurs, jusqu'à ce que nous regardions. La raison en est que nous l'utilisons pour sonder l'univers encore non observé : où nous n'avons pas encore de données. Bien sûr, nous avons des attentes quant à ce que nous pensons devoir être là, mais l'Univers a déjà été plein de surprises et de questions comme :

sont autant de questions auxquelles JWST serait capable de répondre pour la toute première fois.

Cinq propositions majeures de première année ont cherché à répondre à ces questions en examinant en profondeur des régions importantes de l'Univers extragalactique. Deux d'entre eux, Panoramic et COSMOS-Web, n'ont pas encore publié de résultats. Deux autres, GLASS et CEERS, ont trouvé de nombreuses galaxies ultra-éloignées, y compris des exemples de galaxies qui ont dépassé le précédent record Hubble de GN-z11 : une galaxie dont la lumière nous est parvenue 400 millions d'années seulement après le Big Bang.

Mais l'une des régions de l'espace les plus intéressantes de toutes vient de l'enquête qui nous a donné le détenteur actuel du record cosmique de distance (un record qui sera sûrement battu d'ici la fin de 2023) : JADES. Représentant le JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, il combine un total de 770 heures d'imagerie NIRCam, MIRI et NIRSpec sur une superficie totale de 125 minutes d'arc carrées : un peu moins d'un millionième (0,0001 %) du ciel nocturne total. Mais cette région du ciel comprenait deux des régions les plus imagées de toute l'histoire : le Hubble Deep Field original et les Hubble Ultra et eXtreme Deep Fields.

Au sein de ces régions de l'espace, il y avait eu auparavant quelques candidates galaxies ultra-éloignées identifiées par Hubble : environ 40 candidates issues des 650 premiers millions d'années de l'histoire cosmique, dont environ 4 des 500 premiers millions d'années. Le problème est que ce ne sont que des galaxies candidates : nous identifions les galaxies candidates en regardant leur lumière, mais la seule façon d'être certain que ces galaxies candidates sont vraiment des galaxies aux distances réelles auxquelles nous pensons qu'elles se trouvent est d'effectuer une spectroscopie : pour décomposer leur lumière en toutes les différentes longueurs d'onde qui la composent, et d'identifier où certaines caractéristiques spécifiques apparaissent. Ce n'est que par la spectroscopie que nous pouvons promouvoir une galaxie candidate au statut de "galaxie confirmée".

La science sous-jacente est la suivante. Lorsque vous imagez une galaxie à l'aide de la photométrie, la méthode standard de collecte de la lumière sur un ensemble de plages de longueurs d'onde, vous savez comment cette lumière sera distribuée selon que cette galaxie est principalement composée de jeunes étoiles, un mélange d'étoiles jeunes et âgées. , ou principalement des étoiles plus anciennes. (Dans l'Univers tardif, tous les types de galaxies existent, mais au début, nous nous attendons principalement à ce que les galaxies soient constituées de jeunes étoiles.) En dessous d'une certaine longueur d'onde - la limite ultraviolette où les électrons passent à l'état fondamental d'un atome - vous savez qu'aucune lumière n'arrivera, alors qu'à des longueurs d'onde plus longues, vous devriez voir beaucoup de lumière.

Ce point de transition est essentiel et est connu sous le nom de "rupture de Lyman" pour les galaxies : là où se produit la transition vers l'état n = 1 de l'hydrogène (si vous vous souvenez de la série de Lyman). Au fur et à mesure que l'Univers s'étend, la longueur d'onde de cette coupure de Lyman s'étire. Par conséquent, pour JWST, si vous ne voyez pas de lumière des longueurs d'onde courtes, mais beaucoup de lumière des longueurs d'onde plus longues, vous avez un excellent candidat de galaxie ultra-lointaine.

Mais pour s'assurer que :

vous devez effectuer un suivi spectroscopique.

La photométrie est relativement facile à réaliser ; vous pouvez l'exécuter pour des milliers d'objets à la fois avec les mêmes ensembles d'observations. La spectroscopie, en revanche, est coûteuse : vous devez observer pendant beaucoup plus de temps, par objet, pour obtenir la quantité de lumière nécessaire pour déterminer la quantité de lumière à chaque longueur d'onde différente.

Le gain est énorme, cependant : au lieu d'estimer les propriétés clés de votre galaxie comme sa distance, l'étirement de sa lumière et la force de son hydrogène, de son oxygène et d'autres signatures élémentaires, vous pouvez les mesurer directement.

C'est ce qui est si remarquable et puissant à propos de JADES et d'autres relevés similaires réalisés avec JWST : vous pouvez visualiser une grande partie du ciel avec un instrument tel que NIRCam, obtenant des estimations photométriques pour les propriétés d'une galaxie, relativement facilement. Vous pouvez ensuite sélectionner les objets les plus intéressants que vous avez identifiés, grâce à la photométrie, pour effectuer des observations de suivi spectroscopiques, à l'aide de l'instrument NIRSpec, par exemple. Nous savons généralement à quoi ressemble notre Univers, actuellement âgé de 13,8 milliards d'années. Mais ces premières centaines de millions d'années - ces premiers 5% de notre histoire cosmique - restent le grand point d'interrogation auquel nous espérons que JWST pourra nous fournir des réponses.

Eh bien, JADES vient d'annoncer, lors de la 242e réunion de l'American Astronomical Society, certaines des sciences les plus remarquables que nous aurions pu espérer. Tout d'abord, sur leurs 125 minutes d'arc carrées de zone d'observation, ils ont identifié 717 galaxies candidates parmi les 5% premiers de notre histoire cosmique : une amélioration incroyable par rapport aux "environ 40" que Hubble avait précédemment vues. En fait, sur ces 717 candidats identifiés par photométrie, 93 % d'entre eux n'avaient jamais été vus auparavant - ni par Hubble ni par aucun autre observatoire - ce qui nous indique qu'ils n'ont été révélés qu'en raison des capacités sans précédent de l'observatoire JWST.

Mais l'histoire devient encore meilleure. Parmi ces 717 galaxies candidates, un suivi spectroscopique a été effectué sur 42 d'entre elles. Lorsque les spectres sont arrivés, un incroyable 41 des 42 ont été confirmés comme étant à ou presque à la combinaison redshift/distance suggérée par la photométrie. Encore plus remarquable : celui qui n'a pas été confirmé s'est avéré être en fait deux objets superposés : un proche et un beaucoup plus éloigné. Lorsque la lumière de l'objet proche ("seulement" à environ 11 milliards d'années-lumière) a été soustraite, le 42e objet - le plus éloigné - était également en ligne avec les données photométriques. 42 spectres collectés, 42 galaxies ultra-éloignées confirmées. Difficile de faire mieux.

Et cela ne fait que commencer. La galaxie la plus éloignée confirmée par spectroscopie est connue sous le nom de JADES-GS-z13-0, et sa lumière nous vient d'à peine 320 millions d'années après le début du Big Bang chaud. Dans le seul champ de vision de JADES, il y a 17 galaxies candidates supplémentaires - qui n'ont pas encore de spectre - qui ont des distances photométriquement déduites plus grandes que le détenteur actuel du record cosmique. Non seulement cela, mais COSMOS-Web, dont toutes les données sont encore inédites (et dont environ 50 % restent à prendre en date de juin 2023), arpentera une zone beaucoup plus vaste dans le ciel que JADES ne le fera jamais.

Mais en raison des effets combinés de la taille et du pouvoir de résolution sans précédent de JWST, nous pouvons en apprendre énormément sur l'Univers en regardant ces galaxies ; ce ne sont pas simplement des "points" ou des "taches" pour JWST comme ils l'étaient pour un observatoire comme Hubble.

Ces galaxies révèlent des sursauts majeurs de formation d'étoiles en leur sein. Les étoiles chaudes et massives qui se produisent lors de ces sursauts contribuent énormément au processus de réionisation cosmique : où les atomes neutres du milieu intergalactique se réionisent grâce aux photons ultraviolets. Les raies d'émission au sein de ces galaxies sont extrêmement fortes. Et enfin, ces galaxies existent dans une énorme variété de tailles, de seulement quelques centaines d'années-lumière de large à des dizaines de milliers d'années-lumière de large, démontrant que de nombreux objets de notre Univers ont grandi rapidement : peut-être plus rapidement que de nombreux astronomes attendus.

Nous avons parcouru suffisamment de chemin pour assembler les grandes lignes de la façon dont notre univers a grandi, et cela ressemble à une histoire qui conduira à des décennies de recherches supplémentaires pour assembler solidement toutes les pièces.

Toute cette science JWST que nous incorporons dans notre ensemble de connaissances a, pour l'ensemble, moins d'une année civile complète. Alors que de plus en plus de données continuent d'affluer du télescope et que différentes équipes utilisant différents schémas d'observation publient leurs résultats, nous apprendrons à utiliser JWST encore plus efficacement. C'est ce cas glorieux où chaque fois que nous apprenons quelque chose de nouveau, toute la communauté en profite. Avec une durée de vie prévue qui l'amènera bien dans les années 2040, nous avons des décennies de nouvelles sciences, de nouvelles découvertes et une nouvelle compréhension de la façon dont l'Univers a grandi à espérer avec un grand optimisme.