Comment les données du télescope spatial James Webb ont déjà révélé des surprises

Massimo Pascale n’avait pas l’intention d’étudier l’amas de galaxies SMACS 0723. Mais dès qu’il a vu l’amas scintiller dans la première image du télescope spatial James Webb, ou JWST, lui et ses collègues n’ont pas pu s’en empêcher.

“Nous étions comme, nous devons faire quelque chose”, explique Pascale, astronome à l’Université de Californie à Berkeley. « Nous ne pouvons pas nous empêcher d’analyser ces données. C’était tellement excitant.”

L’équipe de Pascale est l’un des nombreux groupes de scientifiques qui ont vu les premières images JWST et ont immédiatement retroussé leurs manches. Dans les premiers jours après que les images et les données utilisées pour les créer ont été rendues publiques, les scientifiques ont estimé la quantité de masse contenue dans l’amas, découvert un incident violent dans le passé récent de l’amas et estimé l’âge des étoiles dans des galaxies bien au-delà de la cluster lui-même.

« Nous nous y préparons depuis longtemps. Moi, je me prépare depuis des années, et je ne suis pas très vieille », raconte Pascale, qui est en quatrième année d’études supérieures. JWST “va vraiment définir une nouvelle génération d’astronomes et une nouvelle génération de science dans son ensemble”.

Collision de grappes

Lorsque l’image de SMACS 0723 a été publiée lors d’un briefing à la Maison Blanche le 11 juillet, l’essentiel de l’attention s’est porté sur galaxies extrêmement lointaines en arrière-plan (SN : 7/11/22). Mais en plein milieu de l’image se trouve SMACS 0723 lui-même, un amas de galaxies beaucoup plus proche à environ 4,6 milliards d’années-lumière de la Terre. Sa masse dévie la lumière d’encore plus loin, faisant apparaître des objets plus éloignés agrandis, comme si leur lumière avait traversé la lentille d’un autre télescope de taille cosmique.

La lumière de la galaxie la plus éloignée de cette image a commencé son voyage vers JWST il y a environ 13,3 milliards d’années – “presque à l’aube de l’univers”, explique l’astrophysicien Guillaume Mahler de l’Université de Durham en Angleterre, qui utilise déjà l’image comme zoom Contexte.

Mais l’image peut également remplir l’histoire de l’amas de galaxies intermédiaire lui-même. “Les gens oublient parfois cela – l’amas de galaxies est également très important”, explique Pascale.

Les équipes de Pascale et de Mahler ont chacune commencé par recenser les galaxies lointaines qui apparaissent étirées et déformées sur l’image. La lumière de certaines de ces galaxies est déformée de telle sorte que plusieurs images de la même galaxie apparaissent à différents endroits. La cartographie de ces galaxies à images multiples est une sonde sensible de la façon dont la masse est répartie autour de l’amas. Cela, à son tour, peut révéler où l’amas contient de la matière noirela substance invisible et mystérieuse qui constitue la majorité de la masse de l’univers (SN : 9/10/20).

Les deux équipes ont constaté que SMACS 0723 est plus allongé qu’il n’apparaissait dans les observations précédentes. Ils ont également trouvé une faible lueur, appelée lumière intracluster, à l’intérieur de l’amas provenant d’étoiles qui n’appartiennent à aucune galaxie particulière. Ensemble, ces caractéristiques suggèrent que SMACS 0723 est toujours en convalescence de fracas relativement récent avec un autre amas de galaxies, les équipes rapportent séparément dans une paire d’articles soumis à arXiv.org le 14 juillet.

Un amas de galaxies qui est resté seul pendant des éons devrait avoir une distribution plus ronde de matière et de lumière intra-amas, plutôt que la forme oblongue de SMACS 0723. Les étoiles qui émettent la lumière intracluster ont probablement été arrachées à leurs galaxies d’origine par les forces gravitationnelles lors de la collision.

« Deux clusters distincts ont fusionné, et il nous semble que ce n’est pas encore totalement réglé », déclare Pascale. “Ce que nous pourrions envisager, c’est une fusion en cours.”

une section de l'image de champ profond JWST avec plusieurs galaxies imagées marquées par des flèches
Trois exemples de galaxies à images multiples – marquées de flèches blanches, rouges et jaunes – sont sortis de cette petite région de la première image JWST. La gravité d’un amas de galaxies de premier plan a déformé la lumière de ces galaxies, les faisant apparaître à au moins deux endroits à la fois.Reproduit de M. Pascale et al/arXiv.org 2022

Galaxies lointaines

La cartographie de la masse dans l’amas est également essentielle pour décoder les propriétés des galaxies les plus éloignées à l’arrière-plan de l’image, explique Mahler. “Vous devez comprendre le cluster et son pouvoir de grossissement pour comprendre ce qu’il y a derrière.”

Certains scientifiques étudient déjà en détail ces galaxies lointaines. Les premières données JWST incluent non seulement de jolies images, mais aussi des spectres, des mesures de la quantité de lumière qu’un objet émet à différentes longueurs d’onde. Les spectres permettent aux scientifiques de déterminer à quel point la lumière d’un objet distant a été étirée – ou décalée vers le rouge – par le expansion de l’univers, qui est une approximation de sa distance. Ces données peuvent également aider à révéler la composition d’une galaxie et l’âge de ses étoiles.

“La principale chose qui limite l’étude de la formation des étoiles dans les galaxies est la qualité des données”, explique l’astrophysicien Adam Carnall de l’Université d’Edimbourg. Mais avec les données considérablement améliorées de JWST, dit-il, lui et son équipe ont pu mesurer l’âge des étoiles dans ces galaxies éloignées.

Carnall et ses collègues ont porté leur attention sur les spectres des galaxies lointaines quelques jours seulement après la publication de l’image SMACS. Ils ont mesuré les décalages vers le rouge de 10 galaxies, dont cinq étaient particulièrement éloignés, rapporte l’équipe dans un article soumis à arXiv.org le 18 juillet. L’une avait déjà été identifiée comme la galaxie la plus éloignée jamais vue, avec une lumière émise 500 millions d’années seulement après le Big Bang il y a 13,8 milliards d’années. Les quatre autres ont brillé jusqu’à 1,1 milliard d’années après le Big Bang.

Les 10 galaxies étaient relativement jeunes lorsqu’elles ont émis la lumière capturée par JWST, dit Carnall. Ils avaient tous allumé leur formation d’étoiles quelques millions d’années plus tôt. Ce n’est pas particulièrement surprenant, mais c’est intéressant.

“La capacité de regarder ces petites galaxies faibles… vous donne une idée de l’apparence que doivent avoir toutes les galaxies lorsqu’elles commencent à former des étoiles”, déclare Carnall.

Les scientifiques espèrent utiliser JWST pour trouver les premiers exemples de formation d’étoiles. D’autres premiers résultats suggèrent qu’ils se rapprochent déjà.

Quelques galaxies dans une image JWST d’un autre cluster peut écouter d’une époque encore plus anciennedès 300 millions d’années après le Big Bang, deux équipes de recherche rapportent dans une paire d’articles soumis à arXiv.org le 19 juillet. L’une de ces galaxies semble avoir déjà construit un disque en spirale d’environ un milliard de fois la masse de le soleil, qui est étonnamment mature pour une galaxie aussi ancienne.

Et un décompte des galaxies vues dans l’image SMACS 0723 suggère que galaxies avec des disques maturesplutôt que des gouttes désorganisées ou composées principalement de matière noire, peuvent avoir été plus courantes dans le tout premier univers qu’on ne le pensait auparavant, rapporte une autre équipe dans un article d’arXiv.org soumis le 19 juillet. Cela signifie que ces premiers disques pourraient ne pas être des valeurs aberrantes .

“Il est certain que ces galaxies sont un gros problème, mais il reste à voir à quel point elles seront excitantes dans le contexte des progrès de quelques mois avec JWST”, a déclaré Carnall. Le meilleur est à venir.



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