Univers primitif : la galaxie la plus éloignée « JADES-GS-z14-0 » remet en question les modèles de formation galactique  

L'analyse spectrale de la galaxie lumineuse JADES-GS-z14-0 basée sur les observations effectuées en janvier 2024 a révélé un redshift de 14.32, ce qui en fait la galaxie la plus éloignée connue (la précédente galaxie la plus éloignée connue était JADES-GS-z13-0 au redshift). de z = 13.2). Il s'est formé au début de l'univers, environ 290 millions d'années après le Big Bang. La quantité abondante de lumière des étoiles implique qu’elle est massive et mesure plus de 1,600 14 années-lumière. Une galaxie aussi lumineuse, massive et grande dans l’univers primitif à l’aube cosmique défie la compréhension actuelle de la formation des galaxies. Les premières étoiles de l'univers étaient des étoiles Pop III avec zéro métal ou extrêmement faible teneur en métal. Cependant, l'étude des propriétés infrarouges de la galaxie JADES-GS-z0-290 révèle la présence d'oxygène, ce qui signifie un enrichissement en métaux impliquant que des générations d'étoiles massives avaient déjà achevé leur cycle de vie, depuis leur naissance jusqu'à l'explosion de la supernova, il y a environ XNUMX millions d'années dans l'univers primitif. Ainsi, les propriétés de cette galaxie sont en contradiction avec la compréhension actuelle de la formation des galaxies dans l’univers primitif.   

Le tout premier univers, environ 380,000 400 ans après le Big Bang, était rempli de gaz ionisés et était totalement opaque en raison de la diffusion des photons par les électrons libres. Cela a été suivi par l’époque neutre du premier univers qui a duré environ 21 millions d’années. A cette époque, l'univers était neutre et transparent. La première lumière a émergé lorsque l'univers est devenu transparent, est devenue rouge et s'est déplacée vers la gamme des micro-ondes en raison de l'expansion, et est maintenant observée sous le nom de fond cosmique micro-onde (CMB). Parce que l’univers était rempli de gaz neutres, aucun signal optique n’était émis (d’où le nom d’âge sombre). Les matériaux non ionisés n'émettent pas de lumière, d'où la difficulté d'étudier l'univers primitif d'époque neutre. Cependant, le rayonnement micro-ondes d'une longueur d'onde de 1420 cm (correspondant à 21 200 MHz) émis par l'hydrogène cosmique froid et neutre à cette époque en raison de la transition hyperfine d'un spin parallèle à un spin anti-parallèle plus stable offre des opportunités aux astronomes. Ce rayonnement micro-ondes de 10 cm serait décalé vers le rouge lorsqu'il atteindrait la Terre et serait observé à des fréquences de XNUMX MHz à XNUMX MHz sous forme d'ondes radio. Le REACH (Expérience radio pour l'analyse de l'hydrogène cosmique) L'expérience vise à détecter une ligne insaisissable de 21 cm provenant de l'hydrogène cosmique.  

L'époque de la réionisation était la prochaine époque de l'histoire du premier univers qui a duré environ 400 millions d'années après le Big Bang jusqu'à 1 milliard d'années. Les gaz ont été réionisés en raison des rayonnements UV à haute énergie émis par les puissantes premières étoiles. La formation des galaxies et des quasars a commencé à cette époque. Les lumières de cette époque sont rouges décalées vers les gammes rouge et infrarouge. Les études en champ profond de Huble constituaient un nouveau départ dans l'étude de l'univers primitif, mais leur portée dans la capture des lumières primordiales était limitée. Il fallait un observatoire infrarouge basé dans l’espace. JWST se spécialise exclusivement dans l'astronomie infrarouge pour étudier l'univers primitif. 

Télescope spatial James Webb (JWST) a été lancé le 25 décembre 2021. Par la suite, tt a été placé sur une orbite proche du point de Lagrange Soleil-Terre L2, à environ 1.5 million de km de la Terre. Il est devenu pleinement opérationnel en juillet 2022. À l'aide d'instruments scientifiques clés à bord tels que NIRCam (caméra proche infrarouge), NIRSpec (spectrographe proche infrarouge), MIRI (instrument infrarouge moyen), le JWST recherche les signaux optiques/infrarouges des premières étoiles et galaxies. formés dans l’Univers pour une meilleure compréhension de la formation et de l’évolution des galaxies et de la formation des étoiles et des systèmes planétaires. Au cours des deux dernières années, elle a produit des résultats fascinants dans l'exploration de l'aube cosmique (c'est-à-dire la période des premières centaines de millions d'années après le big bang où sont nées les premières galaxies).  

Programme JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) 

Ce programme vise à étudier l'évolution des galaxies depuis le redshift élevé jusqu'à midi cosmique par le biais de l'imagerie infrarouge et de la spectroscopie dans les champs profonds GOODS-S et GOODS-N.  

Au cours de la première année, les chercheurs de JADES ont découvert des centaines de galaxies candidates datant des 650 millions d’années qui ont suivi le Big Bang. Début 2023, ils ont trouvé dans leur ensemble de données une galaxie qui semblait avoir un décalage vers le rouge de 14, ce qui suggère qu'il doit s'agir d'une galaxie extrêmement lointaine mais très brillante. De plus, il semblait faire partie d’une autre galaxie en raison de sa proximité. Par conséquent, ils ont observé ce gain en octobre 2023. Les nouvelles données confirmaient qu’il s’agissait d’un décalage vers le rouge de 14. Un spectre de cette galaxie était nécessaire pour identifier l’emplacement de la cassure Lyman-alpha dans le spectre afin de mesurer le décalage vers le rouge et de déterminer l’âge. 

Lyman-alpha est une raie d'émission spectrale de l'hydrogène dans la série Lyman lorsque les électrons passent de n=2 à n=1. Le point de cassure Lyman-alpha dans le spectre correspond à la longueur d'onde observée (λ_observée). Le décalage vers le rouge (z) peut être calculé selon la formule z = (λ_observée – λ_reste) / λ_reste 

Galaxie JADES-GS-z14-0    

En conséquence, la galaxie a été observée à nouveau en janvier 2024 à l’aide de NIRCam (Near Infrared Camera) et NIRSpec (Near Infrared Spectrograph). L'analyse spectrale a fourni des preuves claires que la galaxie était à un redshift de 14.32, ce qui en fait la galaxie la plus éloignée connue (enregistrement précédent de la galaxie la plus éloignée (JADES-GS-z13-0 au redshift de z = 13.2). Elle a été nommée JADES -GS-z14-0, une galaxie lumineuse située à une distance de 13.5 milliards d'années-lumière. De plus, sa taille était supérieure à 1,600 300 années-lumière, ce qui suggérait que les jeunes étoiles étaient la source de sa luminosité. On ne s'attend pas à ce qu'une galaxie existant moins de XNUMX millions d'années après le Big Bang ait de telles propriétés. Elle ne correspond pas bien aux modèles existants de formation de galaxies.  

D'autres surprises nous attendaient.  

Les chercheurs ont pu détecter JADES-GS-z14-0 à des longueurs d’onde plus longues à l’aide de MIRI (Mid-Infrared Instrument). Cela signifiait capturer les émissions de lumière visible de cette galaxie qui étaient décalées vers le rouge pour devenir hors de portée des instruments dans le proche infrarouge. L'analyse a révélé la présence d'oxygène ionisé impliquant une métallicité stellaire élevée. Cela n’est possible que lorsque de nombreuses générations de stars ont déjà vécu leur parcours de vie.  

Les premières étoiles de l’univers ne contiennent aucun métal ou sont extrêmement faibles en métal. On les appelle étoiles Pop III ou étoiles Population III. Les étoiles low metal sont des étoiles Pop II. Les jeunes étoiles ont une teneur élevée en métaux et sont appelées « étoiles Pop I » ou étoiles métalliques solaires. Avec une métallicité relativement élevée de 1.4 %, le Soleil est une étoile récente. En astronomie, tout élément plus lourd que l’hélium est considéré comme un métal. Les non-métaux chimiques comme l'oxygène, l'azote, etc. sont des métaux dans un contexte cosmologique. Les étoiles reçoivent du métal enrichi à chaque génération après un événement de supernova. L'augmentation de la teneur en métaux des étoiles indique un âge plus jeune.   

Étant donné que l'âge de la galaxie JADES-GS-z14-0 est inférieur à 300 millions d'années après le Big Bang, les étoiles de cette galaxie devraient être des étoiles Pop III avec une teneur nulle en métal. Cependant, le MIRI de JWST a détecté la présence d'oxygène.  

Au vu des observations et découvertes ci-dessus, les propriétés de la galaxie JADES-GS-z14-0 de l’univers primitif ne sont pas conformes à la compréhension actuelle de la formation des galaxies. Comment une galaxie présentant de telles caractéristiques pourrait-elle être datée de 290 millions d’années après le Bing Bang ? Il est possible que de nombreuses galaxies de ce type soient découvertes à l’avenir. Peut-être qu’une diversité de galaxies existait à l’aube cosmique. 

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Références:  

1. Carniani, S., et al. 2024. Confirmation spectroscopique de deux galaxies lumineuses à un redshift de 14. Nature (2024). Publié le 24 juillet 2024. DOI : https://doi.org/10.1038/s41586-024-07860-9 . Préimpression sur axRiv. Soumis le 28 mai 2024. DOI : https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18485  

2. Helton JM, et al 2024. Détection photométrique JWST/MIRI à 7.7 μm du continuum stellaire et émission nébulaire dans une galaxie à z>14. Préimpression sur axRiv. Soumis le 28 mai 2024. DOI : https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18462 

3. Le télescope spatial James Webb de la NASA. Premiers faits saillants – Le télescope spatial James Webb de la NASA trouve la galaxie connue la plus éloignée. Publié le 30 mai 2024. Disponible sur https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/nasas-james-webb-space-telescope-finds-most-distant-known-galaxy 

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