Les astronomes signalent les galaxies connues les plus éloignées, détectées et confirmées

Les observations initiales de JWST ont donné plusieurs galaxies candidates à des distances extrêmes, comme l’avaient fait des observations antérieures avec le télescope spatial Hubble. Désormais, quatre de ces cibles ont été confirmées par l’obtention de longues observations spectroscopiques, qui non seulement fournissent des mesures sûres de leurs distances, mais permettent également aux astronomes de caractériser les propriétés physiques des galaxies.

“Nous avons découvert des galaxies à des époques incroyablement précoces dans l’univers lointain”, a déclaré Brant Robertson, professeur d’astronomie et d’astrophysique à l’UC Santa Cruz. “Avec JWST, pour la première fois, nous pouvons maintenant trouver des galaxies aussi éloignées et ensuite confirmer par spectroscopie qu’elles sont vraiment si loin.”

Les astronomes mesurent la distance à une galaxie en déterminant son redshift. En raison de l’expansion de l’univers, les objets éloignés semblent s’éloigner de nous et leur lumière est étirée à des longueurs d’onde plus longues et plus rouges par l’effet Doppler. Les techniques photométriques basées sur des images capturées à travers différents filtres peuvent fournir des estimations de décalage vers le rouge, mais les mesures définitives nécessitent une spectroscopie, qui sépare la lumière d’un objet en ses longueurs d’onde composantes.

Les nouvelles découvertes se concentrent sur quatre galaxies avec des décalages vers le rouge supérieurs à 10. Deux galaxies initialement observées par Hubble ont maintenant confirmé des décalages vers le rouge de 10,38 et 11,58. Les deux galaxies les plus éloignées, toutes deux détectées dans les images JWST, ont des décalages vers le rouge de 13,20 et 12,63, ce qui en fait les galaxies les plus éloignées confirmées par spectroscopie à ce jour. Un décalage vers le rouge de 13,2 correspond à environ 13,5 milliards d’années.

“Ce sont bien au-delà de ce que nous aurions pu imaginer trouver avant JWST”, a déclaré Robertson. “Au redshift 13, l’univers n’a que 325 millions d’années environ.”

Robertson et Emma Curtis-Lake de l’Université du Hertfordshire (Royaume-Uni) présenteront les nouvelles découvertes le 12 décembre lors d’une conférence du Space Telescope Science Institute (STScI) à Baltimore sur les “Premiers résultats scientifiques du JWST”. Ils sont les principaux auteurs de deux articles sur les résultats qui n’ont pas encore été soumis au processus d’examen par les pairs.

Les observations résultent d’une collaboration de scientifiques qui ont dirigé le développement de deux des instruments à bord de Webb, la caméra proche infrarouge (NIRCam) et le spectrographe proche infrarouge (NIRSpec). L’étude des galaxies les plus faibles et les plus anciennes a été la principale motivation des concepts de ces instruments. En 2015, les équipes d’instruments se sont réunies pour proposer le JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), un programme ambitieux qui s’est vu allouer un peu plus d’un mois du temps du télescope et est conçu pour fournir une vue de l’univers primordial sans précédent en profondeur et détail. JADES est une collaboration internationale de plus de quatre-vingts astronomes de dix pays.

“Ces résultats sont l’aboutissement de la raison pour laquelle les équipes NIRCam et NIRSpec se sont associées pour exécuter ce programme d’observation”, a déclaré Marcia Rieke, chercheuse principale de NIRCam à l’Université de l’Arizona.

Le programme JADES a commencé avec NIRCam, utilisant plus de 10 jours de temps de mission pour observer une petite parcelle de ciel dans et autour du Hubble Ultra Deep Field. Les astronomes étudient cette région depuis plus de 20 ans avec presque tous les grands télescopes. L’équipe JADES a observé le champ dans neuf gammes de longueurs d’onde infrarouges différentes, capturant des images exquises qui révèlent près de 100 000 galaxies distantes, chacune à des milliards d’années-lumière.

L’équipe a ensuite utilisé le spectrographe NIRSpec pendant une seule période d’observation de trois jours pour collecter la lumière de 250 galaxies faibles. Cela a donné des mesures précises du décalage vers le rouge et a révélé les propriétés du gaz et des étoiles dans ces galaxies.

“Avec ces mesures, nous pouvons connaître la luminosité intrinsèque des galaxies et déterminer combien d’étoiles elles ont”, a déclaré Robertson. “Maintenant, nous pouvons commencer à vraiment distinguer comment les galaxies sont assemblées au fil du temps.”

Le co-auteur Sandro Tacchella de l’Université de Cambridge au Royaume-Uni a ajouté : « Il est difficile de comprendre les galaxies sans comprendre les périodes initiales de leur développement. Tout comme avec les humains, une grande partie de ce qui se passe plus tard dépend de l’impact de ces premières générations de galaxies. Tant de questions sur les galaxies attendaient l’opportunité transformatrice de Webb, et nous sommes ravis de pouvoir jouer un rôle dans la révélation de cette histoire.”

Selon Robertson, la formation d’étoiles dans ces premières galaxies aurait commencé environ 100 millions d’années plus tôt que l’âge auquel elles ont été observées, repoussant la formation des premières étoiles à environ 225 millions d’années après le Big Bang.

“Nous voyons des preuves de la formation d’étoiles à peu près aussi tôt que prévu sur la base de nos modèles de formation de galaxies”, a-t-il déclaré.

D’autres équipes ont identifié des galaxies candidates à des décalages vers le rouge encore plus élevés sur la base d’analyses photométriques d’images JWST, mais celles-ci doivent encore être confirmées par spectroscopie. JADES se poursuivra en 2023 avec une étude détaillée d’un autre domaine, celui-ci centré sur l’emblématique Hubble Deep Field, puis un retour vers l’Ultra Deep Field pour une autre série d’imagerie profonde et de spectroscopie. De nombreux autres candidats dans le domaine attendent une enquête spectroscopique, avec des centaines d’heures supplémentaires déjà approuvées.