Une image de James Webb pourrait aider à comprendre la chimie complexe de l’Univers

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Ce point rouge flou est une galaxie telle qu'elle était il y a 13,1 milliards d'années. | NASA/ESA/CSA/STScI
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La semaine dernière, le télescope spatial James Webb dévoilait ses premiers clichés. Parmi ceux-ci, une image infrarouge exceptionnelle de l’Univers, la plus profonde et la plus nette à ce jour. Cette image de l’amas de galaxies SMACS 0723 regorge de détails. On y aperçoit notamment une galaxie lointaine à fond rouge de l’Univers primitif. Le spectrographe NIRSpec du télescope a fourni le spectre révélant la composition de son gaz : ces données inédites pourraient aider à comprendre l’évolution chimique de l’Univers à ses débuts.

Sur les milliers de galaxies lointaines situées derrière l’amas de galaxies SMACS 0723, NIRSpec en a observé 48 individuellement, toutes en même temps, dans un champ qui a approximativement la taille d’un grain de sable tenu à bout de bras. Ces galaxies ont été observées telles qu’elles existaient dans l’Univers primitif. Leurs spectres d’émission présentent des similitudes : tous possèdent une raie d’hydrogène suivie de deux raies d’oxygène ionisé ; la position de ce motif sur le spectre permet d’estimer le redshift des galaxies et donc, leur distance. L’une de ces galaxies a été identifiée comme la plus éloignée.

« Ce petit point rouge flou est une galaxie telle qu’elle était il y a 13,1 milliards d’années. C’est maintenant la galaxie la plus éloignée, dont nous connaissons les éléments chimiques », a tweeté Emma Chapman, astrophysicienne et membre de la Royal Society basée à l’Imperial College de Londres. Grâce à James Webb, les scientifiques accèdent ainsi pour la première fois à la composition chimique des toutes premières galaxies de l’Univers. La comparaison de leurs spectres permettra de déterminer comment elles ont évolué au cours de milliards d’années.

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Un motif d’émission caractéristique

L’amas de galaxies SMACS 0723 nous est apparu tel qu’il était il y a 4,6 milliards d’années. Mais il agit comme une lentille gravitationnelle et a permis aux scientifiques d’observer des galaxies beaucoup plus éloignées, qui existaient à des périodes très anciennes de l’histoire de l’Univers — dont l’âge est estimé à 13,8 milliards d’années.

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Le spectrographe NIRSpec de James Webb a identifié la composition chimique (en bas) d’une galaxie qui a émis de la lumière il y a 13,1 milliards d’années. Cette galaxie fait partie des milliers observées dans la première image de champ profond du télescope. © NASA, ESA, ASC, STScI

Le NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) est un spectrographe dispersif multiobjets qui opère dans l’infrarouge proche. Il a été construit par Astrium (une filiale d’EADS) pour l’Agence spatiale européenne. Cet instrument peut observer simultanément plus de 100 objets (des étoiles et des galaxies) dans un champ de vision de 3’x3’. C’est le premier instrument jamais envoyé dans l‘espace à avoir cette capacité. Grâce à lui, les scientifiques ont pu établir les spectres de certaines galaxies.

Ces spectres révèlent la composition chimique, la température et la densité du gaz ionisé des galaxies. Cette galaxie âgée de 13,1 milliards d’années émet des raies caractéristiques de l’oxygène, de l’hydrogène et du néon — dont un motif particulier, composé d’une raie d’hydrogène, suivie d’une double raie d’oxygène, que les scientifiques ont détecté dans chacune des galaxies ciblées. « C’est ainsi que l’oxygène de notre corps a été fabriqué dans les étoiles des galaxies, et nous voyons ce processus s’enclencher », a déclaré Jane Rigby, scientifique du projet James Webb au Goddard Space Flight Center de la NASA, lors d’une conférence de presse.

L’équipe du NIRSpec était particulièrement surprise de disposer d’un spectre aussi détaillé pour cette première observation de l’Univers profond. Ils espéraient observer une raie d’émission d’oxygène, mais pensaient devoir cibler des dizaines, voire des centaines d’objets avant de parvenir à la détecter.

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Cette raie d’oxygène est particulièrement importante, car les astronomes l’utilisent pour calibrer leurs instruments de mesure ; elle sert en quelque sorte d’étalon. Cette pratique est courante pour l’étude des galaxies proches, mais aucun scientifique n’avait pu l’appliquer aux galaxies lointaines jusqu’à présent. Désormais, l’équipe sera en mesure d’interpréter la proéminence apparente de différentes empreintes chimiques dans un spectre en quantités de produits chimiques présents dans la galaxie ciblée.

Les futurs spectres d’autres galaxies lointaines fournis par James Webb permettront ainsi d’étudier l’évolution dans le temps des proportions des différents éléments chimiques. Ceci est essentiel pour accomplir l’un des objectifs scientifiques prévus : combler les lacunes liées aux débuts de l’Univers. En effet, entre environ 380 000 ans après le Big Bang et environ un milliard d’années après, les chercheurs disposent de très peu d’informations.

Cette époque correspond aux âges sombres de l’Univers, suivis de la réionisation. L’Univers n’était qu’un mélange diffus d’hydrogène et d’hélium, s’assemblant peu à peu pour former les premières galaxies, qui ont donné naissance à la première génération d’étoiles. Mais de par le manque de données sur cette époque, les processus impliqués sont encore sujets à débat. James Webb est capable d’explorer directement cette période mystérieuse. Bientôt, le télescope observera des galaxies encore plus lointaines, ce qui permettra peut-être d’élucider enfin toute la chimie de l’Univers.

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Source : Webb Space Telescope

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