Le lancement du télescope spatial James Webb a permis aux astronomes d’observer l’univers de si près que nous approchons de ce que l’on pense être la première période de formation des galaxies. Pendant une grande partie de l’histoire de l’univers, il semble y avoir une corrélation constante entre le nombre d’étoiles formées par une galaxie et la quantité d’éléments lourds qu’elle produit.

La grande galaxie au premier plan s'appelle LEDA2046648 et a été observée il y a un peu plus d'un milliard d'années, tandis que la plupart des autres galaxies sont situées plus loin et ont donc été observées beaucoup plus en arrière. Source image : ESA/Webb, NASA&CSA, A.Martel

Mais aujourd’hui, pour la première fois, nous observons des signes indiquant que cette relation entre le nombre d’étoiles et le nombre d’éléments n’était pas vraie dans les premières galaxies. La raison est probablement que ces galaxies sont seulement en train de se créer et n’ont pas encore eu le temps de créer des éléments lourds.

L'univers regorge de galaxies, qui comprennent d'innombrables collections géantes d'étoiles et de gaz - et à mesure que nous scrutons les profondeurs de l'univers, nous les voyons se rapprocher et s'éloigner. Puisque plus la lumière met du temps à nous atteindre, plus la galaxie est éloignée de nous, nous regardons donc essentiellement en arrière dans le temps, ce qui nous permet de construire un récit visuel de l'évolution des galaxies tout au long de l'histoire de l'univers.

Cette image montre les galaxies observées dans le « Diagramme de masse élément-étoile » : les galaxies plus à droite sont plus massives, et les galaxies plus haut contiennent plus d'éléments lourds. Les icônes grises représentent les galaxies de l’univers actuel, tandis que les icônes rouges représentent les premières galaxies récemment observées. Ces galaxies contenaient clairement beaucoup moins d’éléments lourds que les galaxies ultérieures, mais étaient globalement cohérentes avec les prédictions théoriques, indiquées par la bande bleue. Source : Kasper Elm Heintz, Peter Laursen

Les observations dans la zone sismique extrême nous montrent que depuis 12 milliards d'années, soit les cinq sixièmes de l'âge de l'univers, les galaxies sont en état d'équilibre : d'une part, il semble y avoir une relation fondamentale et étroite entre le nombre d'étoiles qu'elles ont formées, et d'autre part, le nombre d'éléments lourds qu'elles ont formés. Ici, les « éléments lourds » font référence à tout ce qui est plus lourd que l'hydrogène et l'hélium.

Cette relation est logique car l’univers était à l’origine constitué uniquement de ces deux éléments les plus légers. Tous les éléments plus lourds, comme le carbone, l’oxygène et le fer, ont été créés plus tard par les étoiles.

Les galaxies originelles n’auraient donc pas dû être « contaminées » par des éléments lourds. Mais jusqu’à récemment, nous ne pouvions pas voir aussi loin dans le passé. La raison, en plus d’être trop loin, est que plus la lumière parcourt l’espace longtemps, plus elle devient rouge. Pour observer les galaxies les plus lointaines, il faut observer jusqu'à la partie infrarouge du spectre, et ce n'est qu'après le lancement du télescope James Webb que nous avons eu des télescopes suffisamment grands et suffisamment sensibles pour observer des galaxies aussi lointaines.

Le télescope spatial n'a pas déçu : James Webb a battu à plusieurs reprises son propre record des galaxies les plus lointaines, et il semble maintenant que nous ayons enfin atteint l'âge où certaines des premières galaxies sont nées.

Le gaz diffus de l’espace intergalactique tombe vers le centre, déclenchant la formation d’étoiles et devenant une partie du disque rotatif de la galaxie. Lorsque les étoiles meurent, elles renvoient du gaz vers la galaxie (et l’espace intergalactique), désormais riche en éléments lourds. Source : Tumlinson et coll. (2017).

Dans une nouvelle étude publiée aujourd'hui dans la revue scientifique Nature Astronomy, une équipe d'astronomes du Cosmic Dawn Center de l'Institut Niels Bohr de Copenhague, un centre de recherche danois, et du DTU Space de Copenhague ont découvert ce qui semble être certaines des premières galaxies encore en train de se former.

"Jusqu'à récemment, il était presque impossible d'étudier comment les premières galaxies se sont formées dans l'univers primitif parce que nous n'avions tout simplement pas suffisamment d'instruments. Avec le lancement du télescope James Webb, cela a complètement changé", a déclaré Kasper Elm Heintz, professeur adjoint au Centre pour l'aube de l'univers et responsable de l'étude.

La relation entre la masse totale des étoiles d’une galaxie et le nombre d’éléments lourds est un peu plus compliquée que cela. La vitesse à laquelle les galaxies produisent de nouvelles étoiles est également importante. Mais si vous corrigez cela, vous obtenez une belle relation linéaire : plus la galaxie est massive, plus elle contient d'éléments lourds. Mais cette relation est aujourd’hui remise en question par de nouvelles observations.

"Lorsque nous avons analysé la lumière de 16 de ces premières galaxies, nous avons constaté qu'elles contenaient beaucoup moins d'éléments lourds que ce que l'on pourrait attendre de la masse de leurs étoiles et du nombre de nouvelles étoiles qu'elles ont produites", a déclaré Kasper Elm Heintz. "En fait, ces galaxies contiennent en moyenne plus d'éléments lourds que le reste de l'univers." Quatre fois moins. Ces résultats contrastent fortement avec les modèles actuels, dans lesquels les galaxies ont évolué de manière équilibrée pendant la majeure partie de l'histoire de l'univers. Ce résultat n’est pas entièrement surprenant, mais nous observons maintenant quelque chose de similaire.

L’explication proposée par les auteurs dans leur article est que nous assistons à la formation de galaxies. La gravité a rassemblé les premiers amas de gaz qui avaient commencé à former des étoiles.

Si ces galaxies vivaient tranquillement, les étoiles les enrichiraient bientôt d’éléments lourds. Mais il y avait beaucoup de gaz frais et non contaminé entre les galaxies à cette époque, et il circulait vers les galaxies plus rapidement que les étoiles.

"Ce résultat nous donne notre premier aperçu des premiers stades de la formation des galaxies, qui semblent être plus étroitement liés au gaz entre les galaxies que nous ne le pensions."

Il s’agit de l’une des premières observations de James Webb sur le sujet, nous attendons donc toujours de voir ce que les observations plus vastes et plus complètes actuellement en cours peuvent nous dire.

Kasper-Elm-Heinz a conclu : "Il ne fait aucun doute que nous comprendrons bientôt plus clairement comment les galaxies et leurs structures originales ont commencé à se former au cours du premier milliard d'années après le Big Bang."