Le spectromètre JWST affine les décalages vers le rouge des galaxies lointaines

L'instrument NIRSpec du télescope spatial James Webb (JWST) a révélé qu'une galaxie lointaine, que l'on pensait auparavant avoir un redshift record de 16.4, est en réalité beaucoup plus proche de la Terre. L'étude a également confirmé que certains autres objets observés par JWST comptent parmi les galaxies les plus lointaines jamais observées.

Le redshift cosmologique est une mesure de la mesure dans laquelle la lumière d’une galaxie a été étirée vers des longueurs d’onde plus longues et plus rouges par l’expansion de l’univers. Plus le redshift est élevé, plus la lumière d’une galaxie a dû passer de temps à se déplacer à travers le cosmos en expansion. Cela signifie que nous voyons des objets à redshift élevé tels qu’ils sont apparus il y a très longtemps – et que les objets sont très loin.

Les astronomes sont très désireux d’étudier les galaxies à fort redshift car elles offrent une fenêtre sur l’univers primitif. En effet, des observations récentes confortent l’idée émergente selon laquelle les galaxies de l’univers primitif étaient plus massives, plus développées et plus lumineuses que ce qui avait été prédit auparavant.

Plusieurs galaxies faibles

Au cours de l’été 2022, les premières études approfondies du JWST sur l’univers lointain ont révélé plusieurs galaxies faibles qui ont été estimées comme étant les galaxies à redshift le plus élevé jamais observées.

Un objet est appelé La galaxie de Maisie qui a été découvert dans les données JWST par une équipe dirigée par Steve Finkelstein de l'Université du Texas à Austin. On pensait initialement que la galaxie se trouvait à un redshift de 14.3, ce qui la situerait à seulement 280 millions d'années après le Big Bang. Un autre candidat, CEERS-93316, trouvé par une équipe dirigée par Callum Donnan de l'Université d'Edimbourg, semblait se trouver à un redshift de 16.4, ce qui équivaut à seulement 250 millions d'années après le Big Bang.

À titre de comparaison, la galaxie confirmée la plus éloignée connue avant le lancement du JWST était Gn-z11, qui a un redshift de 11.6.

Redshifts révisés

Ces premières mesures JWST ont été effectuées à l’aide d’une technique photométrique, qui mesure la rougeur globale d’une galaxie. Bien que cette technique puisse être utilisée sur des objets faiblement éloignés, elle peut être affectée par la présence de poussière et n’est pas aussi précise que la mesure des déplacements de raies spectrales individuelles. Aujourd’hui, une équipe d’astronomes a utilisé le spectromètre proche infrarouge (NIRSpec) de JWST pour observer les galaxies et a affiné les estimations du redshift – avec des résultats mitigés.

"Malheureusement, le redshift candidat 16.4 [CEERS-93316] s'est avéré être un faible redshift", explique Donnan, membre de l'équipe dirigée par Pablo Arrabal Haro du NOIRLab en Arizona. Étant donné que les données du NIRSpec ont été immédiatement rendues publiques, sans que les scientifiques qui ont proposé les observations ne disposent de temps de propriété, l’équipe de Haro a dû rédiger son article en moins de trois jours pour éviter d’être battue de plein fouet.

Plutôt que d'être à 16.4, CEERS-93316 s'est avéré être une galaxie poussiéreuse avec un redshift de 4.9, ce qui signifie que nous la voyons telle qu'elle existait il y a 12.5 milliards d'années. L’équipe de Donnan pensait auparavant avoir de solides arguments en faveur d’un redshift record, d’autant plus que la galaxie affichait de fortes émissions bleues et ultraviolettes dans son cadre de repos (comme cela apparaît avec le redshift supprimé).

Cependant, la combinaison de raies d'émission très fortes, couplée au fait que l'une de ces raies, de la longueur d'onde alpha de l'hydrogène, se trouvait dans une position où trois des filtres de NIRSpec se chevauchent de sorte que la raie d'émission contribue aux trois, a donné à tort l'impression que CEERS-93316 était une galaxie intrinsèquement lumineuse avec un redshift beaucoup plus élevé.

La galaxie de Maisie

Il y avait de meilleures nouvelles dans les enjeux de redshift pour Maisie’s Galaxy, qui s’est révélé être à un redshift de 11.4. Il s’agit toujours d’un redshift très élevé et indique une galaxie sans poussière. La galaxie a également un taux de formation d’étoiles relativement élevé et une masse stellaire totale de 250 millions de fois la masse du Soleil. Cette masse s’était développée sur une période de 30 à 120 millions d’années avant l’époque où nous voyons la galaxie de Maisie.

NIRSpec a également montré que huit autres galaxies avaient des redshifts supérieurs à 10. Le détenteur actuel du record est JADES-GS-z13-0, qui a un redshift confirmé spectroscopiquement de 13.2 et que nous voyons tel qu'il existait seulement 350 millions d'années après le Big Bang.

Donnan espère toujours que JWST sera capable de découvrir des galaxies avec des redshifts spectroscopiques supérieurs à 14. "C'est possible, surtout en imagerie plus profonde", explique-t-il. Monde de la physique.

Production de poussière

Non pas qu’une galaxie bien étudiée avec un redshift de 4.9 soit quelque chose à renifler. L’étude des propriétés des galaxies qui existaient lorsque l’univers avait un peu plus d’un milliard d’années est cruciale pour comprendre comment les galaxies se sont développées en termes de formation d’étoiles. Cela peut être déduit de la quantité de poussière produite par les générations successives d’étoiles – la même poussière qui fait apparaître le CEERS-93316 plus rouge.

« Nous devons effectuer une analyse plus détaillée des propriétés du CEERS-93316, mais il semble poussiéreux », explique Donnan. "Nous devons examiner l'histoire de la formation de nos étoiles si nous voulons comprendre comment elle est née."

Entre-temps, d’autres observations sont prévues pour les galaxies à très fort redshift telles que la galaxie de Maisie, selon Finkelstein, qui participe également à l’étude NIRSpec.

Spectroscopie plus approfondie

"La prochaine étape est définitivement une spectroscopie plus profonde, pour sonder exactement ce qui rend [la galaxie de Maisie] si bleue", dit-il, faisant référence à la couleur de son image restante. La théorie principale est que les premières galaxies telles que la galaxie de Maisie avaient une proportion plus élevée d’étoiles lumineuses, bleues et massives que les galaxies d’aujourd’hui. Des observations utilisant l'un des télescopes Keck de 10 mètres à Hawaï sont déjà en cours et Finkelstein espère poursuivre avec JWST à l'avenir.

"Nous rechercherons des caractéristiques de raie d'émission UV repos plus faibles, qui permettent de diagnostiquer des éléments tels que la présence d'étoiles très massives et également l'intensité de la lumière des étoiles provenant des étoiles que nous voyons", explique Finkelstein.

En fin de compte, ces résultats rappellent la nécessité d’une confirmation spectroscopique des redshifts des galaxies et que, jusqu’à ce que de telles mesures soient effectuées, nous devons prendre avec prudence les allégations de redshifts photométriques record.

La recherche est décrite dans un pré-impression sur arXiv.

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• La source: https://physicsworld.com/a/jwst-spectrometer-refines-redshifts-of-distant-galaxies/