The earliest galaxies formed amazingly fast after the Big Bang. Do they break the universe or change its age?
Les premières galaxies se sont formées à une vitesse étonnante après le Big Bang. Brisent-elles l'univers ou changent-elles son âge ?
par Sandro Tacchella, The Conversation
Concept d'artiste du télescope spatial James Webb de la NASA. Crédit : NASA
Le télescope spatial James Webb (JWST) est le télescope spatial le plus grand et le plus puissant construit à ce jour. Depuis son lancement en décembre 2021, il a fourni des informations révolutionnaires. Il s'agit notamment de la découverte des galaxies les plus anciennes et les plus éloignées connues, qui existaient seulement 300 millions d'années après le Big Bang.
Les objets lointains sont également très anciens, car il faut beaucoup de temps pour que la lumière de ces objets atteigne les télescopes. Le JWST a désormais découvert un certain nombre de ces galaxies très anciennes. Nous regardons effectivement ces objets dans le passé, les voyant tels qu'ils étaient peu de temps après la naissance de l'univers.
Ces observations du JWST concordent avec notre compréhension actuelle de la cosmologie - la discipline scientifique qui vise à expliquer l'univers - et de la formation des galaxies. Mais elles révèlent également des aspects auxquels nous ne nous attendions pas. Beaucoup de ces galaxies primitives brillent beaucoup plus fort que ce à quoi on pourrait s'attendre étant donné qu'elles existaient peu de temps après le Big Bang.
On pense que les galaxies les plus brillantes ont plus d'étoiles et plus de masse. On pensait qu'il fallait beaucoup plus de temps pour que ce niveau de formation d'étoiles se produise. Ces galaxies ont également des trous noirs en croissance active en leur centre, signe que ces objets ont mûri rapidement après le Big Bang. Alors, comment expliquer ces découvertes surprenantes ? Est-ce qu'elles brisent nos idées sur la cosmologie ou nécessitent un changement dans l'âge de l'univers ?
Les scientifiques ont pu étudier ces galaxies primitives en combinant les images détaillées du JWST avec ses puissantes capacités de spectroscopie. La spectroscopie est une méthode d'interprétation du rayonnement électromagnétique émis ou absorbé par les objets dans l'espace. Cela peut à son tour nous renseigner sur les propriétés d'un objet.
Notre compréhension de la cosmologie et de la formation des galaxies repose sur quelques idées fondamentales. L'un d'entre eux est le principe cosmologique, qui stipule que, à grande échelle, l'univers est homogène (le même partout) et isotrope (le même dans toutes les directions). Associé à la théorie de la relativité générale d'Einstein, ce principe nous permet de relier l'évolution de l'univers (la façon dont il se dilate ou se contracte) à son contenu énergétique et massique.
Le modèle cosmologique standard, connu sous le nom de théorie du « Big Bang chaud », comprend trois composants principaux, ou ingrédients. Le premier est la matière ordinaire que nous pouvons voir avec nos yeux dans les galaxies, les étoiles et les planètes. Le deuxième ingrédient est la matière noire froide (CDM), des particules de matière se déplaçant lentement qui n'émettent, n'absorbent ou ne reflètent pas la lumière.
Le troisième composant est ce que l'on appelle la constante cosmologique (Λ, ou lambda). Elle est liée à ce que l'on appelle l'énergie noire et constitue une façon d'expliquer le fait que l'expansion de l'univers s'accélère. Ensemble, ces composants forment ce que l'on appelle le modèle cosmologique ΛCDM.
L'énergie noire représente environ 68 % de la teneur totale en énergie de l'univers actuel.
Bien qu'elle ne soit pas directement observable avec des instruments scientifiques, la matière noire est censée constituer la majeure partie de la matière du cosmos et représente environ 27 % de la masse totale et de la teneur en énergie de l'univers.
Bien que la matière noire et l'énergie noire restent mystérieuses, le modèle cosmologique ΛCDM est soutenu par un large éventail d'observations détaillées. Il s'agit notamment de la mesure de l'expansion de l'univers, du fond diffus cosmologique (CMB) (la « rémanence » du Big Bang) et du développement des galaxies et de leur distribution à grande échelle, par exemple la façon dont les galaxies se regroupent.
Le modèle ΛCDM pose les bases de notre compréhension de la formation et de l'évolution des galaxies. Par exemple, le CMB, qui a été émis environ 380 000 ans après le Big Bang, fournit un aperçu des premières fluctuations de densité qui se sont produites dans l'univers primitif. Ces fluctuations, en particulier dans la matière noire, ont fini par donner naissance aux structures que nous observons aujourd’hui, telles que les galaxies et les étoiles.
omment se forment les étoiles
La formation des galaxies est le résultat de processus complexes influencés par de nombreux phénomènes physiques différents. Certains de ces mécanismes ne sont pas entièrement compris, comme les processus qui régissent la façon dont le gaz des galaxies se refroidit et se condense pour former des étoiles.
Les effets des supernovae, des vents stellaires et des trous noirs qui émettent d'importantes quantités d'énergie (parfois appelés noyaux galactiques actifs, ou AGN) peuvent tous chauffer ou expulser du gaz des galaxies. Cela peut à son tour stimuler ou freiner la formation d'étoiles et donc influencer la croissance des galaxies.
L'efficacité et l'ampleur de ces « processus de rétroaction », ainsi que leur impact cumulé au fil du temps, sont mal compris. Ils constituent une source importante d'incertitude dans les modèles mathématiques, ou simulations, de formation des galaxies.
Des progrès significatifs dans les simulations numériques complexes de formation des galaxies ont été réalisés au cours des dix dernières années. Des simulations et des modèles plus simples qui relient la formation des étoiles à l'évolution des halos de matière noire. Ces halos sont des structures massives et invisibles constituées de matière noire qui ancrent efficacement les galaxies en leur sein.
L'un des modèles les plus simples de formation des galaxies suppose que la vitesse à laquelle les étoiles se forment dans une galaxie est directement liée au gaz qui s'y écoule. Ce modèle propose également que la vitesse de formation des étoiles dans une galaxie soit proportionnelle à la vitesse à laquelle les halos de matière noire se développent. Il suppose une efficacité fixe de conversion du gaz en étoiles, indépendamment du temps cosmique.
Ce modèle d'« efficacité constante de formation des étoiles » est cohérent avec l'hypothèse selon laquelle la formation d'étoiles a augmenté considérablement au cours du premier milliard d'années après le Big Bang. La croissance rapide des halos de matière noire au cours de cette période aurait fourni les conditions nécessaires pour que les galaxies forment efficacement des étoiles. Malgré sa simplicité, ce modèle a réussi à prédire un large éventail d'observations réelles, y compris le taux global de formation d'étoiles au cours du temps cosmique.
Les secrets des premières galaxies
Le JWST a inauguré une nouvelle ère de découvertes. Grâce à ses instruments de pointe, le télescope spatial peut capturer à la fois des images détaillées et des spectres à haute résolution, c'est-à-dire des graphiques montrant l'intensité du rayonnement électromagnétique émis ou absorbé par les objets dans le ciel. Pour le JWST, ces spectres se situent dans la région proche infrarouge du spectre électromagnétique. L'étude de cette région est cruciale pour observer les premières galaxies dont la lumière optique s'est transformée en proche infrarouge (ou « décalée vers le rouge ») au fur et à mesure que l'univers s'est étendu.
Le décalage vers le rouge décrit la façon dont les longueurs d'onde de la lumière des galaxies s'étirent au fur et à mesure de leur déplacement. Plus une galaxie est éloignée, plus son décalage vers le rouge est important.
Au cours des deux dernières années, le JWST a identifié et caractérisé des galaxies dont le décalage vers le rouge est compris entre 10 et 15. Ces galaxies, qui se sont formées environ 200 à 500 millions d'années après le Big Bang, sont relativement petites pour des galaxies (environ 100 parsecs, soit 3 quadrillions de kilomètres de diamètre). Elles sont chacune constituées d'environ 100 millions d'étoiles et forment de nouvelles étoiles à un rythme d'environ une étoile semblable au Soleil par an.
Bien que cela ne semble pas très impressionnant, cela implique que ces systèmes doublent leur contenu en étoiles en seulement 100 millions d'années. À titre de comparaison, notre propre galaxie, la Voie Lactée, met environ 25 milliards d'années pour doubler sa masse stellaire.
Formation précoce des galaxies
Les découvertes surprenantes du JWST sur les galaxies brillantes à des décalages vers le rouge (ou distances) élevés pourraient impliquer que ces galaxies ont mûri plus rapidement que prévu après le Big Bang. Cela est important car cela remettrait en cause les modèles existants de formation des galaxies. Le modèle d'efficacité constante de formation d'étoiles décrit ci-dessus, bien qu'efficace pour expliquer une grande partie de ce que nous voyons, peine à expliquer le grand nombre de galaxies brillantes et lointaines observées avec un décalage vers le rouge de plus de dix.
Pour résoudre ce problème, les scientifiques explorent diverses possibilités. Il s'agit notamment de modifier leurs théories sur l'efficacité avec laquelle le gaz est converti en étoiles au fil du temps. Ils réexaminent également l'importance relative des processus de rétroaction, c'est-à-dire la façon dont des phénomènes tels que les supernovae et les trous noirs contribuent également à réguler la formation des étoiles.
Certaines théories suggèrent que la formation d'étoiles dans l'univers primitif pourrait avoir été plus intense ou « en rafales » qu'on ne le pensait auparavant, conduisant à la croissance rapide de ces premières galaxies et à leur luminosité apparente.
D'autres suggèrent que des facteurs différents, tels que des quantités plus faibles de poussière galactique, une distribution plus importante des masses d'étoiles ou des contributions de phénomènes tels que des trous noirs actifs, pourraient être responsables de la luCes explications font appel à des changements dans la physique de la formation des galaxies pour expliquer les découvertes du JWST. Mais les scientifiques ont également envisagé des modifications des théories cosmologiques générales. Par exemple, l'abondance des galaxies précoces et brillantes pourrait s'expliquer en partie par un changement dans ce que l'on appelle le spectre de puissance de la matière. C'est une façon de décrire les différences de densité dans l'univers.
Un mécanisme possible pour parvenir à ce changement dans le spectre de puissance de la matière est un phénomène théorique appelé « énergie noire précoce ». Il s'agit de l'idée qu'une nouvelle source d'énergie cosmologique présentant des similitudes avec l'énergie noire aurait pu exister à des époques très anciennes, à un décalage vers le rouge de 3 000. C'est-à-dire avant l'émission du CMB et seulement 380 000 ans après le Big Bang.
Cette énergie noire précoce se serait rapidement désintégrée après l'étape de l'évolution de l'univers connue sous le nom de recombinaison. Curieusement, l'énergie noire précoce pourrait également atténuer la tension de Hubble – une divergence entre différentes estimations de l'âge de l'univers.
Un article publié en 2023 suggérait que les découvertes de galaxies du JWST nécessitaient que les scientifiques rallongent l'âge de l'univers de plusieurs milliards d'années.
Cependant, d'autres phénomènes pourraient expliquer les galaxies brillantes. Avant que les observations du JWST ne soient utilisées pour invoquer des changements dans les grandes idées de la cosmologie, une compréhension plus détaillée des processus physiques dans les galaxies est essentielle.
Le détenteur actuel du record de la galaxie la plus éloignée, identifiée par le JWST, s'appelle JADES-GS-z14-0. Les données recueillies jusqu'à présent indiquent que ces galaxies ont une grande diversité de propriétés différentes.
Certaines galaxies montrent des signes d'hébergement de trous noirs qui émettent de l'énergie, tandis que d'autres semblent être compatibles avec l'hébergement de jeunes populations d'étoiles sans poussière. Comme ces galaxies sont faibles et que leur observation est coûteuse (il faut des temps d'exposition de plusieurs heures), seules 20 galaxies pour lesquelles le décalage vers le rouge est supérieur à dix ont été observées par spectroscopie à ce jour, et il faudra des années pour constituer un échantillon statistique.
Un angle d'attaque différent pourrait être l'observation de galaxies à des époques cosmiques ultérieures, lorsque l'univers avait entre 1 et 2 milliards d'années (décalages vers le rouge compris entre 3 et 9). Les capacités du JWST donnent aux chercheurs accès à des indicateurs cruciaux des étoiles et du gaz de ces objets qui peuvent être utilisés pour contraindre l'histoire globale de la formation des galaxies.
Briser l'univers ?
Au cours de la première année de fonctionnement du JWST, on a affirmé que certaines des premières galaxies avaient des masses stellaires extrêmement élevées (les masses des étoiles qu'elles contenaient) et qu'un changement de cosmologie était nécessaire pour accueillir les galaxies brillantes qui existaient dans l'univers très primitif. On les a même surnommées galaxies « briseuses d'univers ».
Peu après, il est devenu clair que ces galaxies ne brisent pas l'univers, mais que leurs propriétés peuvent s'expliquer par une série de phénomènes différents. De meilleures données d'observation ont montré que les distances à certains objets étaient surestimées (ce qui a conduit à une surestimation de leurs masses stellaires).
L'émission de lumière de ces galaxies peut être alimentée par d'autres sources que les étoiles, comme les trous noirs en accrétion. Les hypothèses des modèles ou des simulations peuvent également conduire à des biais dans la masse totale des étoiles de ces galaxies.
Alors que le JWST poursuit sa mission, il aidera les scientifiques à affiner leurs modèles et à répondre à certaines des questions les plus fondamentales sur nos origines cosmiques. Il devrait dévoiler encore plus de secrets sur les premiers jours de l'univers, y compris l'énigme de ces galaxies brillantes et lointaines
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COMMENTAIRES
Le télescope spatial James Webb (JWST) est le télescope spatial le plus grand et le plus puissant construit à ce jour.,
Seulement voila : ce qu il nous fait connaitre ne rentre pas bien sagement dans la connaisance actuelle !
Depuis son lancement en décembre 2021, il a fourni des informations révolutionnaires. Il s'agit notamment de la découverte des galaxies les plus anciennes et les plus éloignées connues, qui existaient seulement 300 millions d'années après le Big Bang.N
Plus clairement dit :nous trompons nouss sur l age de l univers ,sur l évaluation de sa metrique ;sur la technique de mesure des trés grandes distances ,ou sur le sprocessus de Big bang ou de post Big bang ??????
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Provided by The Conversation
This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. Read the original article.
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