En scrutant des données recueillies par le James-Webb sur l'amas de galaxies Smacs 0723, des chercheurs ont tenté de comprendre la structure des premières galaxies, via la formation d'étoiles durant leurs débuts.
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Le 12 juillet 2022, le télescope spatial James-Webb nous émerveillait avec sa toute première image d'un « champ profond », obtenue grâce à l'instrument NIRCamNIRCam. On peut y voir l'amas de galaxie Smacs J0723.3-7327, plus communément appelé Smacs 0723, situé à 5,12 milliards d'années-lumière de la Terre. Il avait déjà été observé par le télescope spatial Hubble en 2017. De nouveaux détails ont été révélés lorsque l'image obtenue par James-Webb a été dévoilée.
Mais surtout, grâce à l'effet de lentille gravitationnelle, l'image révèle d'autres galaxies encore jamais observées avec un tel niveau de détails, dont certaines apparaissent telles qu'elles étaient lorsque l'UniversUnivers était âgé de moins d'un milliard d'années ! « Les amas de galaxiesamas de galaxies que nous avons examinés sont si massifs qu'ils dévient les rayons lumineux passant par leur centre, comme l'avait prédit EinsteinEinstein en 1915. Et cela produit à son tour une sorte d'effet de loupe : les images des galaxies d'arrière-plan sont grossies », explique Adélaïde Claeyssens dans un communiqué, première auteure d'une étude publiée dans MNRAS et astronomeastronome à l'université de Stockholm.
Des galaxies encore jamais observées
L'étude s'est penchée en détails sur cet amas, ou plutôt sur les objets encore plus lointains que l'amas de galaxies lui-même, rendus visibles grâce à l'effet de lentille gravitationnelle. Prédit par la relativité généralerelativité générale, cet effet se produit lorsqu'un objet particulièrement massif dévie le chemin que la lumière effectue entre une source lumineuse et son observateur. C'est le cas pour Smacs 0723, qui en déviant la lumière de derrière lui permet de voir certains objets cachés.
C'est ainsi que les chercheurs ont choisi 18 galaxies dévoilées par le JWST, situées à des décalages vers le rougedécalages vers le rouge entre 1 et 8,5. Décalage signifiant indirectement la distance à laquelle elles se trouvent, donc l'époque : plus un objet s'éloigne de nous, plus son spectrespectre se décale vers les hautes longueurs d'ondelongueurs d'onde, donc vers le rouge. Dans le cas d'objets lointains, cet éloignement est directement lié à l'expansion de l'Univers, qui tend à éloigner les objets les uns des autres. La loi de Hubbleloi de Hubble-Lemaître permet de relier le décalage mesuré avec la distance d'une galaxie.
Dans les galaxies observées, les chercheurs ont ciblé le taux de formation d'étoilesétoiles grâce à ce qu'on appelle des « grumeaux stellaires » (stellar clumps), aussi appelés amas stellaires, des zones avec une forte densité d'étoiles formées à une même période. Tout en regardant aussi la forme des galaxies. Car des études précédentes ont montré qu'elles prenaient des formes variées bien plus tôt que ce que l'on pensait.
Signifiant que des grumeaux stellaires se sont agglomérésagglomérés entre eux suffisamment tôt pour former des galaxies. Aussi, ont-ils tenté de comprendre ce qui motive cette diversité étonnante. Ils ont notamment constaté que plus le redshift est élevé, donc plus l'on remonte le temps, plus la forme que prennent les galaxies n'est pas dominée par les fusionsfusions de grumeaux. Comment ont-elles alors pris leurs formes atypiques ?
Des liens étroits avec la formation d'étoiles au sein des galaxies
Dans leur étude, les chercheurs expliquent que « la formation de grumeaux est étroitement liée aux conditions physiquesphysiques dans lesquelles la formation d'étoiles a lieu dans les galaxies. » L'équipe a ainsi regardé les amas stellaires contenus dans ces galaxies et en ont retrouvé même dans les galaxies les plus anciennes, datant de l'ère de la réionisation ! Ils ont ensuite comparé leurs observations à d'autres amas similaires trouvables dans l'Univers local, pour confirmer qu'ils regardaient bien des amas, puis ont étudié leurs propriétés : massemasse, âge, métallicitémétallicité des étoiles.
Enfin, l'équipe a testé des modèles avec différentes hypothèses sur la formation d'étoiles au sein de ces clustersclusters, l'une supposant un éclatement instantané, comme dans les amas de l'Univers local, et une autre supposant une formation continue sur 10 millions d'années. Et c'est le deuxième qui a le mieux reproduit les mesures effectuées ! Un autre résultat obtenu concerne la duréedurée de ces amas, ne dépassant pas un milliard d'années selon les chercheurs, « probablement en raison du fait qu'ils se forment dans des disques épais et gravitationnellement instables avec des fractions de gazgaz élevées, ce qui signifie qu'ils sont dissous par de grands effets de cisaillement, sur des échelles de temps de centaines de millions d'années. »
Pour la suite, les chercheurs comptent sur l'amélioration des modèles de lentilles gravitationnelles, sur lesquels toute leur étude s'est basée. Mais les perspectives qu'offre James-Webb restent enthousiasmantes pour les recherches sur l'histoire des premières galaxies. « Les images du télescope spatial James-Webbtélescope spatial James-Webb montrent que nous pouvons désormais détecter de très petites structures à l'intérieur de galaxies très lointaines et que nous pouvons voir ces amas dans bon nombre de ces galaxies. Le télescope change la donne pour l'ensemble du domaine de la recherche et nous aide à comprendre comment les galaxies se forment et évoluent », déclare Angela Adamo, astronome à l'université de Stockholm et co-auteure de l'étude.
