La diversité des galaxies primordiales révélée par le JWST

Nous avons vu dans les numéros précédents de l’Astronomie que le JWST montre l’existence de quelques galaxies primordiales aux propriétés très différentes de celles que détecte le télescope Hubble. Une équipe internationale de chercheurs a utilisé des données recueillies à la fois par le JWST et par Hubble sur 850 galaxies et a effectué la comparaison entre les deux résultats obtenus. Ils ont montré que les galaxies observées par le JWST sont bien plus diversifiées et matures que prévu !

 

Les relevés extragalactiques profonds obtenus avec le télescope spatial Hubble (HST) ont profondément révolutionné notre compréhension de l’évolution des galaxies entre l’époque où elles se sont assemblées il y a dix milliards d’années et maintenant. Mais en même temps ils ont ouvert de nouveaux questionnements concernant les trois premiers milliards d’années de l’Univers. Quand sont apparus les premiers disques dans les galaxies ? À quel moment les premiers bulbes se sont-ils formés ? Les processus physiques responsables de la formation des étoiles ont-ils varié pendant cette période ? Etc.

Pour répondre à ces questions, une équipe conduite par un chercheur de l’Institut de technologie de Rochester aux États-Unis et constituée d’environ 80 astronomes de différents laboratoires se sont regroupés dans le CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science Survey) [1]. Ils ont analysé 850 galaxies détectées à la fois par le HST (champ ultra-profond du relevé CANDELS) et par la caméra infrarouge NIRcam  du JWST. Les deux relevés opèrent à longueurs d’ondes analogues, mais avec son miroir de 6,5 mètres de diamètre, le JWST est beaucoup plus sensible que le HST et peut observer des parties plus faiblement brillantes de ces galaxies. Les 850 galaxies étudiées ont des  « redshifts » compris entre 3 et 9. Ce paramètre noté « z » représente le décalage spectral vers les grandes longueurs d’onde (« vers le rouge ») dû à l’expansion de l’Univers (loi dite de Hubble). Adoptant pour calculer cette expansion le modèle standard de la cosmologie – LambdaCDM – on en déduit l’époque où le rayonnement a été émis. Ainsi un redshift de 3 correspond à 2,2 milliards d’années après le Big Bang, tandis que 9 correspond à seulement 0,55 milliard d’années après le Big Bang. Nous rappelons que le rayonnement, en ultraviolet proche, vers 0,4 microns, observé actuellement d’une galaxie de redshift z est transporté dans l’infrarouge proche d’une quantité (1+z), ce qui signifie que le spectre optique d’une galaxie de redshift 3 va être déporté dans l’infrarouge vers des longueurs d’ondes voisines de 1,5 microns, et celui d’une galaxie de redshift 9, aussi dans l’infrarouge, mais vers 4 microns.

L’équipe a réparti chaque galaxie observée selon différents critères, comme la morphologie de la galaxie – disque, sphéroïde, forme particulière, source ponctuelle ou inclassable – la classe d’interaction, et l’abondance des éléments « lourds » (c’est-à-dire plus lourds que le lithium). L’hydrogène et l’hélium sont seuls présents au départ, et les éléments lourds sont synthétisés par fusion nucléaire dans les premiers milliards d’années après le Big Bang à l’intérieur d’étoiles massives puis dispersés dans le milieu interstellaire lors de l’explosion des étoiles en supernovae. En principe, l’abondance des éléments lourds doit donc croître au cours des premiers milliards d’années tandis que le taux de formation d’étoiles de l’Univers  augmente jusqu’à atteindre un pic aux époques caractérisées par z ∼ 2 − 3, puis commence à décliner vers les niveaux bas actuels.

L’équipe a effectué sur les galaxies observées par le JWST un ensemble de classifications visuelles au cours duquel chaque galaxie a été classée trois fois. Les chercheurs ont ainsi montré qu’il existait une grande diversité de morphologies (fig. 1). Les galaxies possédant des disques constituent à peu près 60 % des galaxies à z=3 et cette fraction tombe à 30 % pour z compris entre 6 et 9 tandis qu’il existe 20 % de galaxies sphéroïdales. La fraction de galaxies irrégulières est grosso modo constante à tous les redshifts, étant de l’ordre de 40 à 50 %, et celles qui sont purement irrégulières croissent de 12 % à 20 % pour z > 4,5. De façon générale ces tendances suggèrent que les galaxies avec des disques ou des sphéroïdes existent sur tout l’espace des redshifts. Il est difficile pour le moment de quantifier exactement le moment de leur formation.

La comparaison avec les mesures morphologiques basées sur le HST permet de tirer les conclusions suivantes. Les mêmes galaxies présentent des différences significatives. Avec seulement le HST, une plus petite fraction de galaxies montrent des disques ou des sphéroïdes, ou bien une morphologie irrégulière, en particulier pour z supérieur à 4,5, ces structures peu brillantes n’apparaissant que grâce à la sensibilité accrue du JWST. Les galaxies observées par le JWST se révèlent aussi plus asymétriques qu’avec les seules observations du HST. D’une manière plus générale, les différences de classification sont largement dues à la trop faible brillance de surface des disques pour le HST. L’étude montre donc une différence entre les galaxies vues par Hubble et les mêmes observées par le JWST : « sur les 850 galaxies utilisées dans l’étude et précédemment identifiées par le HST, 488 ont été reclassées avec différentes morphologies après avoir été montrées plus en détail avec le JWST », disent les auteurs de l’étude (fig. 2).

Ces résultats seront bientôt étayés par de nouvelles observations, dont le programme a déjà cumulé 60 heures supplémentaires. Ce sont donc potentiellement des milliers d’autres galaxies qui se dévoileront. De plus, le programme COSMOS-Web sélectionné pour les débuts du JWST fournira un échantillon encore plus grand avec plus de 200 heures d’observation dans l’infrarouge proche et moyen. Cette nouvelle étude vise à identifier les toutes premières galaxies formées, donc à comprendre comment elles se sont formées lorsque l’Univers n’était encore constitué que d’hydrogène, d’hélium et de matière noire.

 

 

par  Suzy Collin-Zahn  – Obervatoire de Paris-PSL

 

 

 

 

 

 

Note

1. CEERS Key Paper III: The Diversity of Galaxy Structure and Morphology at z = 3 – 9 with JWST”, Jeyhan S. Kartaltepe et al., arXiv:2210.14713v2, 2023.