JWST - Exploration de l'Univers primitif

[tezcatlipoca]

Bonjour,

Posté hier sur Astrosurf :

Le JWST découvre que les galaxies naines ont réionisé l'Univers, publié le 28 février 2024

https://esawebb.org/news/weic2405/

La recherche sur l'évolution de l'Univers primitif est un aspect important de l'astronomie moderne. Il reste beaucoup à comprendre sur la période des débuts de l'histoire de l'Univers connue sous le nom d'ère de réionisation. C'était une période d'obscurité sans étoiles ni galaxies, remplie d'un épais brouillard d'hydrogène gazeux, jusqu'à ce que les premières étoiles ionisent le gaz qui les entourait et que la lumière commence à voyager à travers l'espace. Les astronomes ont passé des décennies à tenter d’identifier les sources émettant des rayonnements suffisamment puissants pour dissiper progressivement ce brouillard d’hydrogène qui emplissait l’Univers primitif.

Le programme Ultradeep NIRSpec et NIRCam ObserVations before the Epoch of Reionization ( UNCOVER ) (# 2561 ) comprend à la fois des observations d'imagerie et spectroscopiques de l'amas de lentilles Abell 2744. Une équipe internationale d'astronomes a utilisé la lentille gravitationnelle par cette cible, également connue sous le nom d'amas de Pandore pour étudier les sources de la période de réionisation de l'Univers. Les lentilles gravitationnelles agrandissent et déforment l’apparence des galaxies lointaines, de sorte qu’elles paraissent très différentes de celles du premier plan. La « lentille » de l'amas de galaxies est si massive qu'elle déforme le tissu même de l'espace, à tel point que la lumière provenant de galaxies lointaines qui traverse l'espace déformé prend également une apparence défigurée. L'effet de grossissement a permis à l'équipe d'étudier des sources de lumière très éloignées au-delà d'Abell 2744, révélant huit galaxies extrêmement faibles qui autrement seraient indétectables, même pour le Webb.

https://cdn.esawebb.org/archives/ima.../weic2305a.jpg

Les astronomes estiment que 50 000 sources de lumière proche infrarouge sont représentées sur cette image prise par le télescope spatial James Webb NASA/ESA/CSA. Leur lumière a parcouru différentes distances pour atteindre les détecteurs du télescope, représentant l'immensité de l'espace dans une seule image. Une étoile au premier plan de notre propre galaxie, à droite du centre de l'image, présente les pointes de diffraction distinctives du Webb. Des sources blanches brillantes entourées d'une lueur brumeuse sont les galaxies de l'amas de Pandore, un conglomérat d'amas de galaxies déjà massifs formant un méga amas. La concentration de masse est si grande que le tissu de l'espace-temps est déformé par la gravité, créant une super-loupe naturelle appelée « lentille gravitationnelle » que les astronomes peuvent utiliser pour voir des sources de lumière très éloignées au-delà de l'amas qui seraient autrement indétectables même pour le JWST.

Ces sources lentilles apparaissent en rouges sur l’image, et souvent sous forme d’arcs allongés déformés par la lentille gravitationnelle. Beaucoup d’entre elles sont des galaxies de l’Univers primitif, dont le contenu est agrandi et étendu pour que les astronomes puissent l’étudier.

L’équipe a découvert que ces galaxies faibles sont d’immenses producteurs de rayonnements ionisants, à des niveaux quatre fois supérieurs à ce qui était supposé auparavant. Cela signifie que la plupart des photons qui ont réionisé l’Univers provenaient probablement de ces galaxies naines.

« Cette découverte révèle le rôle crucial joué par les galaxies ultra-faibles dans l'évolution de l'Univers primitif », a déclaré Iryna Chemerynska, membre de l'équipe de l'Institut d'Astrophysique de Paris en France. « Ils produisent des photons ionisants qui transforment l'hydrogène neutre en plasma ionisé lors de la réionisation cosmique. Il souligne l’importance de comprendre les galaxies de faible masse pour façonner l’histoire de l’Univers. »

"Ces centrales cosmiques émettent collectivement plus qu'assez d'énergie pour accomplir leur travail", a ajouté le chef d'équipe Hakim Atek, Institut d'Astrophysique de Paris, CNRS, Sorbonne Université, France, et auteur principal de l'article présentant ce résultat. « Malgré leur petite taille, ces galaxies de faible masse sont de prolifiques producteurs de rayonnement énergétique, et leur abondance pendant cette période est si importante que leur influence collective peut transformer l’état de l’Univers entier. »

Pour arriver à cette conclusion, l’équipe a d’abord combiné des données d’imagerie ultra-profonde du Webb avec l’imagerie auxiliaire d’Abell 2744 du télescope spatial Hubble de la NASA/ESA afin de sélectionner des galaxies candidates extrêmement faibles à l’époque de la réionisation. Cela a été suivi d'une spectroscopie avec le spectrographe proche infrarouge du Webb ( NIRSpec ). L'ensemble multi-obturateur de l'instrument a été utilisé pour obtenir une spectroscopie multi-objets de ces galaxies faibles. C’est la première fois que les scientifiques mesurent de manière robuste la densité numérique de ces galaxies faibles, et ils ont confirmé avec succès qu’elles constituent la population la plus abondante à l’époque de la réionisation. C'est également la première fois que le pouvoir ionisant de ces galaxies est mesuré, permettant aux astronomes de déterminer qu'elles produisent suffisamment de rayonnement énergétique pour ioniser l'Univers primitif.

"L'incroyable sensibilité de NIRSpec combinée à l'amplification gravitationnelle fournie par Abell 2744 nous a permis d'identifier et d'étudier en détail ces galaxies du premier milliard d'années de l'Univers, bien qu'elles soient plus de 100 fois plus faibles que notre propre Voie Lactée", a poursuivi Atek.

Dans le cadre d'un prochain programme d'observation de Webb, appelé GLIMPSE , les scientifiques obtiendront les observations les plus profondes jamais réalisées dans le ciel. En ciblant un autre amas de galaxies, nommé Abell S1063, des galaxies encore plus faibles à l'époque de réionisation seront identifiées afin de vérifier si cette population est représentative de la distribution à grande échelle des galaxies. Comme ces nouveaux résultats sont basés sur des observations obtenues dans un seul champ, l’équipe note que les propriétés ionisantes des galaxies faibles peuvent apparaître différemment si elles résident dans des régions trop denses. Des observations supplémentaires dans un domaine indépendant fourniront donc des informations complémentaires pour aider à vérifier ces conclusions. Les observations GLIMPSE aideront également les astronomes à sonder la période connue sous le nom d’Aube Cosmique, lorsque l’Univers n’avait que quelques millions d’années, et ainsi développer notre compréhension de l’émergence des premières galaxies.

Ces résultats ont été publiés aujourd'hui dans la revue Nature.
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[tezcatlipoca]

Bonjour,

Le JWST dévoile les secrets de l'une des galaxies les plus lointaines vues jusqu'alors.

https://science.nasa.gov/missions/we...ies-ever-seen/

En regardant en profondeur dans l'espace et le temps, deux équipes utilisant le télescope spatial James Webb de la NASA ont étudié la galaxie exceptionnellement lumineuse GN-z11, qui existait lorsque notre univers vieux de 13,8 milliards d'années n'avait qu'environ 430 millions d'années.

Initialement détectée avec le télescope spatial Hubble , cette galaxie, l'une des plus jeunes et des plus lointaines jamais observées, est si brillante qu'il est difficile pour les scientifiques de comprendre pourquoi. Désormais, le GN-z11 livre certains de ses secrets.

Un trou noir très actif est le plus éloigné jamais découvert

Une équipe étudiant GN-z11 avec le Webb a trouvé la première preuve claire que la galaxie héberge un trou noir central supermassif qui accumule rapidement de la matière. Leur découverte en fait le trou noir supermassif actif le plus éloigné repéré à ce jour.

"Nous avons découvert un gaz extrêmement dense, attiré à proximité des trous noirs supermassifs, " explique le chercheur principal Roberto Maiolino du laboratoire Cavendish et de l'Institut Kavli de cosmologie de l'Université de Cambridge au Royaume-Uni. "Ce sont les premières signatures claires indiquant que GN-z11 héberge un trou noir qui engloutit de la matière."

Image : Champ de galaxies GOODS-Nord

https://science.nasa.gov/wp-content/...80&format=webp

Cette image de l'instrument NIRCam (Near-Infrared Camera) du télescope spatial James Webb montre une partie du champ de galaxies GOODS-North. En bas à droite, un encart met en évidence la galaxie GN-z11, observée seulement 430 millions d'années après le big bang. L'image révèle un composant étendu, traçant la galaxie hôte GN-z11, et une source centrale compacte dont les couleurs sont cohérentes avec celles d'un disque d'accrétion entourant un trou noir. NASA, ESA, CSA, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Marcia Rieke (Université de l'Arizona), Daniel Eisenstein (CfA)

En utilisant le Webb, l’équipe a également trouvé des indications d’éléments chimiques ionisés généralement observés à proximité de trous noirs supermassifs en accrétion. De plus, ils ont découvert un vent très puissant expulsé par la galaxie. De tels vents à grande vitesse sont généralement provoqués par des processus associés à une puissante accrétion de trous noirs supermassifs.

"La NIRCam (Near-Infrared Camera) du Webb a révélé un halo étendu, caractérisant la galaxie hôte avec une source centrale compacte.

Ensemble, ces preuves montrent que GN-z11 héberge un trou noir supermassif de 2 millions de masse solaire dans une phase très active de consommation de matière, c'est pourquoi il est si lumineux.

Un amas de gaz vierge dans Halo du GN-z11 intrigue les chercheurs

Une deuxième équipe, également dirigée par Maiolino, a utilisé le NIRSpec (spectrographe proche infrarouge) du Webb pour trouver un amas gazeux d'hélium dans le halo entourant GN-z11.

"Le fait que nous ne voyons rien d'autre que l'hélium suggère que cet amas doit être relativement vierge", a déclaré Maiolino. "C'est quelque chose auquel s'attendaient la théorie et les simulations à proximité de galaxies particulièrement massives de ces époques : il devrait y avoir des poches de gaz vierge survivant dans le halo, et celles-ci pourraient s'effondrer et former des amas d'étoiles de population III."

La découverte des étoiles inédites de la population III, la première génération d’étoiles formées presque entièrement d’hydrogène et d’hélium, est l’un des objectifs les plus importants de l’astrophysique moderne. Ces étoiles devraient être très massives, très lumineuses et très chaudes. Leur signature attendue est la présence d'hélium ionisé et l'absence d'éléments chimiques plus lourds que l'hélium.

La formation des premières étoiles et galaxies marque un changement fondamental dans l’histoire cosmique, au cours duquel l’univers a évolué d’un état sombre et relativement simple à l’environnement hautement structuré et complexe que nous connaissons aujourd’hui.

https://science.nasa.gov/wp-content/...80&format=webp

Ce graphique en deux parties montre la présence d'un amas gazeux d'hélium dans le halo entourant la galaxie GN-z11. Dans la partie supérieure, à l'extrême droite, une petite case identifie GN-z11 dans un champ de galaxies. La case du milieu montre une image agrandie de la galaxie. L'encadré à l'extrême gauche affiche une carte de l'hélium gazeux dans le halo du GN-z11, y compris un amas qui n'apparaît pas dans les couleurs infrarouges indiquées dans le panneau du milieu. Dans la moitié inférieure du graphique, un spectre montre « l’empreinte spectrale » distincte de l’hélium dans le halo. Le spectre complet ne montre aucune trace d'autres éléments et suggère donc que l'amas d'hélium doit être assez "pur", constitué d'hydrogène et d'hélium gazeux produits du big bang, sans grande contamination par des éléments plus lourds produits ultérieurement par les étoiles. La théorie et les simulations à proximité de galaxies particulièrement massives de ces époques prédisent qu'il devrait y avoir des poches de gaz vierge dans le halo, qui pourraient s'effondrer et former des amas d'étoiles de population III.
NASA, ESA, ASC, Ralf Crawford (STScI)

Dans les futures observations du Webb, Maiolino, Übler et leur équipe exploreront GN-z11 plus en profondeur et espèrent renforcer les arguments en faveur des étoiles de population III qui pourraient se former dans son halo.

La recherche sur l'amas de gaz vierge dans le halo de GN-z11 a été acceptée pour publication par Astronomy & Astrophysics . Les résultats de l'étude du trou noir de GN-z11 ont été publiés dans la revue Nature le 17 janvier 2024. Les données ont été obtenues dans le cadre du JWST Advanced Deep Extragalactic Survey ( JADES ), un projet commun entre les équipes NIRCam et NIRSpec.

[papy-alain]

Est on certain de la datation de 430 millions d'années ?
Parce que là, c'est vraiment jeune pour une galaxie aussi bien formée et un TN supermassif.

[Lansberg]

Avec un redshift de 11, nous voyons bien cette galaxie dans un passé remontant à cette époque.

[papy-alain]

Dans ce cas, ne faudrait il pas revoir sérieusement

- soit les modèles de formation des galaxies et des trous noirs supermassifs
- soit l'âge de l'Univers

[Lansberg]

Le modèle de formation des galaxies est dépendant du modèle d'univers (LCDM). On a d'un côté les données issues du satellite Planck, difficiles à remettre en question pour les "Planckiens", et à partir desquelles les paramètres cosmologiques sont déterminés et constituent le socle du modèle LCDM et de l'autre des observations, entre autres du JWST, pour vérifier ce qui peut être prédit sur la formation des premières étoiles et galaxies à partir de ce modèle. Pour l'instant il y a des tensions mais qui reposent sur peu de données avec des incertitudes sur les masses des galaxies (voire sur leurs distances comme cela a été constaté).
L'annonce importante dans l'étude de GN-z11 c'est la présence d'hélium II dans le halo sans détection d'éléments lourds. Cela signifie qu'il y a forcément un rayonnement très énergétique pour produire cet hélium ionisé qui serait le signe de la formation d'étoiles de première génération. Le challenge du JWST sera d'identifier à coup sur ces étoiles et de savoir à quelle époque remonte le début de leur formation et des premières galaxies. À partir de là, est-ce que le modèle LCDM tient vraiment la route.

[tezcatlipoca]

Bonsoir,

Les télescopes Webb et Hubble confirment le taux d'expansion de l'Univers, mais l'énigme persiste

https://esawebb.org/news/weic2408/

Les mesures de Webb jettent un nouvel éclairage sur un mystère qui dure depuis une décennie.

L’une des justifications scientifiques de la construction du télescope spatial Hubble NASA/ESA était d’utiliser sa puissance d’observation pour fournir une valeur exacte du taux d’expansion de l’Univers. Avant le lancement de Hubble en 1990, les observations effectuées à partir de télescopes au sol produisaient d'énormes incertitudes. Selon les valeurs déduites du taux d'expansion, l'Univers pourrait avoir entre 10 et 20 milliards d'années. Au cours des 34 dernières années, Hubble a réduit cette mesure à une précision inférieure à 1 %, divisant ainsi la différence avec une valeur d'âge de 13,8 milliards d'années. Ceci a été accompli en affinant ce que l'on appelle « l'échelle de distance cosmique » en mesurant d'importants marqueurs de distances connus sous le nom d'étoiles variables céphéides.

Cependant, la valeur de Hubble ne concorde pas avec d’autres mesures suggérant que l’Univers s’est étendu plus rapidement après le Big Bang. Ces observations ont été réalisées grâce à la cartographie du rayonnement de fond cosmique micro-onde réalisée par le satellite Planck de l'ESA – un modèle de la façon dont la structure de l'Univers évoluerait après son refroidissement suite au Big Bang.

La solution simple au dilemme serait de dire que les observations de Hubble sont peut-être fausses, en raison d'une certaine inexactitude dans ses mesures des critères de l'espace lointain. Puis est arrivé le télescope spatial James Webb, permettant aux astronomes de vérifier les résultats de Hubble. Les vues infrarouges des Céphéides prises par le Webb concordaient avec les données de lumière optique de Hubble. Webb a confirmé que l'œil perçant du télescope Hubble avait raison depuis le début, effaçant tout doute persistant sur ses mesures.

L’essentiel est que la soi-disant tension de Hubble entre ce qui se passe dans l’Univers proche et l’expansion de l’Univers primitif reste un casse-tête tenace pour les cosmologistes. Il se peut qu’il y ait quelque chose incluse dans le tissu de l’espace que nous ne comprenons pas encore.
La résolution de cet écart nécessite-t-elle une nouvelle physique ? Ou est-ce le résultat d’erreurs de mesure entre les deux méthodes différentes utilisées pour déterminer le taux d’expansion de l’espace ?

Hubble et Webb se sont désormais associés pour produire des mesures définitives, renforçant ainsi l'hypothèse selon laquelle quelque chose d'autre - et non des erreurs de mesure - influence le taux d'expansion.
"Une fois les erreurs de mesure annulées, ce qui reste est la possibilité réelle et passionnante que nous ayons mal compris l'Univers", a déclaré Adam Riess, physicien à l'Université Johns Hopkins de Baltimore. Riess est titulaire d'un prix Nobel pour avoir co-découvert le fait que l'expansion de l'Univers s'accélère, en raison d'un phénomène mystérieux désormais appelé « énergie noire ».

À titre de vérification croisée, une première observation du Webb en 2023 a confirmé que les mesures de Hubble sur l'Univers en expansion étaient exactes. Cependant, dans l'espoir de soulager la tension de Hubble, certains scientifiques ont émis l'hypothèse que des erreurs invisibles dans les mesures pourraient augmenter et se révéler à mesure que nous approfondissons l'étude de l'Univers. En particulier, l’encombrement stellaire pourrait affecter de manière systématique les mesures de luminosité d’étoiles plus éloignées.

L'équipe SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy), dirigée par Riess, a obtenu des observations supplémentaires avec le Webb, d'objets qui sont des marqueurs cosmiques critiques, les étoiles variables céphéides, qui peuvent désormais être corrélées avec les données de Hubble.
Comparaison des vues Hubble et Webb d'une étoile variable céphéide

https://cdn.esawebb.org/archives/ima.../weic2408b.jpg

"Nous avons désormais couvert toute la gamme de ce que Hubble a observé, et nous pouvons exclure une erreur de mesure comme cause de la tension de Hubble avec une très grande confiance", a déclaré Riess.

Les premières observations du Webb de l'équipe en 2023 ont réussi à montrer que Hubble était sur la bonne voie en établissant fermement la fidélité des premiers échelons de ce que l'on appelle l'échelle de distance cosmique.

Les astronomes utilisent diverses méthodes pour mesurer les distances relatives dans l'Univers, en fonction de l'objet observé. Collectivement, ces techniques sont connues sous le nom d’échelle de distance cosmique : chaque échelon ou technique de mesure s’appuie sur l’étape précédente pour l’étalonnage.

Mais certains astronomes ont suggéré qu'en se déplaçant vers l'extérieur le long du « deuxième échelon », l'échelle de distance cosmique pourrait devenir fragile si les mesures des Céphéides devenaient moins précises avec la distance. De telles inexactitudes pourraient se produire parce que la lumière d’une céphéide pourrait se mélanger à celle d’une autre étoile – effet qui pourrait devenir plus prononcé avec la distance à mesure que les étoiles se rassemblent dans le ciel et deviennent plus difficiles à distinguer les unes des autres.

Le défi de l'observation est que les images passées de Hubble de ces céphéides plus éloignées semblent plus regroupées et se chevauchent avec des étoiles voisines à des distances de plus en plus grandes entre nous et leurs galaxies hôtes, ce qui nécessite une prise en compte minutieuse de cet effet. La présence de poussière complique encore davantage la certitude des mesures en lumière visible. Le Webb permet d'isoler naturellement les Céphéides des étoiles voisines car sa vision est plus nette que celle de Hubble dans les longueurs d'onde infrarouges.

« La combinaison des observations de Webb et Hubble nous offre le meilleur des deux visions.

Les nouvelles observations du Webb incluent cinq galaxies hôtes avec huit supernovae de type Ia, contenant un total de 1 000 Céphéides, et s'étendent jusqu'à la galaxie la plus éloignée où les Céphéides ont été bien mesurées – NGC 5468, à une distance de 130 millions d'années-lumière. «Cela couvre toute la gamme dans laquelle nous avons effectué des mesures avec Hubble. Nous sommes donc arrivés au bout du deuxième échelon de l'échelle des distances cosmiques », a déclaré le co-auteur Gagandeep Anand du Space Telescope Science Institute de Baltimore, qui exploite les télescopes Webb et Hubble pour la NASA.

NGC 5468 — Galaxie hôte des Céphéides

https://cdn.esawebb.org/archives/ima.../weic2408a.jpg

Ensemble, la confirmation par Hubble et Webb de la tension de Hubble met en place d'autres observatoires pour éventuellement résoudre le mystère, notamment le prochain télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA et la mission Euclid récemment lancée par l'ESA .

À l’heure actuelle, c’est comme si l’échelle de distance observée par Hubble et Webb avait fermement fixé un point d’ancrage dans nos connaissances, et que la rémanence du Big Bang observé par Planck depuis le début de l’Univers était fermement acquise de l’autre côté. La façon dont l’expansion de l’Univers a évolué au cours des milliards d’années entre ces deux points limites n’a pas encore été directement observée. "Nous devons découvrir s'il nous manque quelque chose sur la façon de relier le début de l'Univers et le présent", a déclaré Riess.

Ces résultats ont été publiés dans le numéro du 6 février 2024 de The Astrophysical Journal Letters .