Le modèle standard de cosmologie survit aux découvertes surprenantes d'un télescope

Les fissures dans la cosmologie étaient censées mettre du temps à apparaître. Mais lorsque le télescope spatial James Webb (JWST) a ouvert son objectif au printemps dernier, des galaxies extrêmement lointaines mais très brillantes ont immédiatement brillé dans le champ de vision du télescope. "Ils étaient tellement stupidement brillants, et ils se sont juste démarqués", a déclaré Rohan Naïdu, astronome au Massachusetts Institute of Technology.

Les distances apparentes des galaxies par rapport à la Terre suggèrent qu'elles se sont formées beaucoup plus tôt dans l'histoire de l'univers que quiconque ne l'avait prévu. (Plus quelque chose est éloigné, plus sa lumière a éclaté il y a longtemps.) Les doutes ont tourbillonné, mais en décembre, les astronomes ont confirmé que certaines des galaxies sont en effet aussi éloignées, et donc aussi primordiales, qu'elles le paraissent. La plus ancienne de ces galaxies confirmées a émis sa lumière 330 millions d'années après le Big Bang, ce qui en fait le nouveau détenteur du record de la plus ancienne structure connue de l'univers. Cette galaxie était plutôt sombre, mais d'autres candidats vaguement rattachés à la même période brillaient déjà, ce qui signifie qu'ils étaient potentiellement énormes.

Comment les étoiles ont-elles pu s'enflammer à l'intérieur de nuages ​​de gaz surchauffés si peu de temps après le Big Bang ? Comment ont-ils pu se tisser à la hâte dans de si énormes structures gravitationnelles ? Trouver des galaxies aussi grandes, brillantes et précoces semble s'apparenter à trouver un lapin fossilisé dans les strates précambriennes. «Il n'y a pas de grandes choses au début. Il faut du temps pour arriver à de grandes choses », a déclaré Mike Boylan-Kolchin, physicien théoricien à l'Université du Texas, Austin.

Les astronomes ont commencé à se demander si la profusion des premières grandes choses défie la compréhension actuelle du cosmos. Certains chercheurs et médias ont affirmé que les observations du télescope enfreignaient le modèle standard de la cosmologie – un ensemble d'équations bien testé appelé le modèle de la matière noire froide lambda, ou ΛCDM, pointant de manière passionnante vers de nouveaux ingrédients cosmiques ou lois gouvernantes. Cependant, il est devenu clair depuis que le modèle ΛCDM est résilient. Au lieu de forcer les chercheurs à réécrire les règles de la cosmologie, les découvertes du JWST amènent les astronomes à repenser la façon dont les galaxies sont fabriquées, en particulier au début cosmique. Le télescope n'a pas encore brisé la cosmologie, mais cela ne signifie pas que le cas des galaxies trop précoces se révélera être tout sauf d'époque.

Des temps plus simples

Pour comprendre pourquoi la détection de galaxies lumineuses très précoces est surprenante, il est utile de comprendre ce que les cosmologistes savent – ​​ou pensent savoir – sur l'univers.

Après le Big Bang, l'univers infantile a commencé à se refroidir. En quelques millions d'années, le plasma en ébullition qui remplissait l'espace s'est calmé et les électrons, les protons et les neutrons se sont combinés en atomes, principalement de l'hydrogène neutre. Les choses étaient calmes et sombres pendant une période d'une durée incertaine connue sous le nom d'âge cosmique des ténèbres. Puis quelque chose s'est passé.

La plupart des matériaux qui se sont effondrés après le Big Bang sont constitués de quelque chose que nous ne pouvons pas voir, appelé matière noire. Il a exercé une puissante influence sur le cosmos, surtout au début. Dans l'image standard, la matière noire froide (un terme qui signifie des particules invisibles et lentes) a été projetée dans le cosmos sans distinction. Dans certaines régions, sa distribution était plus dense et, dans ces régions, il a commencé à s'effondrer en touffes. La matière visible, c'est-à-dire les atomes, regroupés autour des amas de matière noire. Au fur et à mesure que les atomes se sont refroidis, ils ont fini par se condenser et les premières étoiles sont nées. Ces nouvelles sources de rayonnement rechargeaient l'hydrogène neutre qui remplissait l'univers à l'époque dite de la réionisation. Grâce à la gravité, des structures plus grandes et plus complexes se sont développées, construisant un vaste réseau cosmique de galaxies.

Pendant ce temps, tout continuait à s'envoler. L'astronome Edwin Hubble a compris dans les années 1920 que l'univers était en expansion, et à la fin des années 1990, son homonyme, le télescope spatial Hubble, a trouvé des preuves que l'expansion s'accélérait. Pensez à l'univers comme une miche de pain aux raisins. Il commence comme un mélange de farine, d'eau, de levure et de raisins secs. Lorsque vous combinez ces ingrédients, la levure commence à respirer et le pain commence à lever. Les raisins secs qu'il contient - des substituts pour les galaxies - s'éloignent les uns des autres à mesure que le pain se dilate.

Le télescope Hubble a vu que le pain monte de plus en plus vite. Les raisins secs se séparent à une vitesse qui défie leur attraction gravitationnelle. Cette accélération semble être entraînée par l'énergie répulsive de l'espace lui-même - l'énergie dite sombre, qui est représentée par la lettre grecque Λ (prononcé "lambda"). Branchez les valeurs de Λ, de matière noire froide, de matière régulière et de rayonnement dans les équations de la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, et vous obtenez un modèle de l'évolution de l'univers. Ce modèle de « matière noire froide lambda » (ΛCDM) correspond à presque toutes les observations du cosmos.

Une façon de tester cette image consiste à regarder des galaxies très lointaines, ce qui équivaut à remonter dans le temps jusqu'aux premières centaines de millions d'années après le formidable coup qui a tout déclenché. Le cosmos était alors plus simple, son évolution plus facile à comparer aux prédictions.

Les astronomes ont d'abord essayé de voir les premières structures de l'univers à l'aide du télescope Hubble en 1995. En 10 jours, Hubble a capturé 342 expositions d'une parcelle d'espace vide dans la Grande Ourse. Les astronomes ont été étonnés par l'abondance qui se cache dans l'obscurité d'encre : Hubble pouvait voir des milliers de galaxies à différentes distances et à différents stades de développement, remontant à des temps bien plus anciens que prévu. Hubble continuerait à trouver des galaxies extrêmement éloignées – en 2016, les astronomes trouvé son plus lointain, appelé GN-z11, une légère tache qu'ils ont datée de 400 millions d'années après le Big Bang.

C'était étonnamment tôt pour une galaxie, mais cela n'a pas remis en cause le modèle ΛCDM en partie parce que la galaxie est minuscule, avec seulement 1% de la masse de la Voie lactée, et en partie parce qu'elle était seule. Les astronomes avaient besoin d'un télescope plus puissant pour voir si GN-z11 était un excentrique ou faisait partie d'une plus grande population de galaxies étrangement précoces, ce qui pourrait aider à déterminer s'il nous manque un élément crucial de la recette ΛCDM.

Inexplicablement distant

Ce télescope spatial de nouvelle génération, nommé en l'honneur de l'ancien chef de la NASA James Webb, lancé le jour de Noël 2021. Dès que JWST a été calibré, la lumière des premières galaxies s'est infiltrée dans ses composants électroniques sensibles. Les astronomes ont publié un flot d'articles décrivant ce qu'ils ont vu.

Les chercheurs utilisent une version de l'effet Doppler pour mesurer les distances des objets. Cela revient à déterminer l'emplacement d'une ambulance en fonction de sa sirène : la sirène sonne plus haut à mesure qu'elle s'approche, puis plus bas à mesure qu'elle s'éloigne. Plus une galaxie est éloignée, plus elle s'éloigne rapidement de nous, et ainsi sa lumière s'étend à des longueurs d'onde plus longues et apparaît plus rouge. L'ampleur de ce "décalage vers le rouge" est exprimée comme z, où une valeur donnée pour z vous indique combien de temps la lumière d'un objet doit avoir parcouru pour nous atteindre.

Un des premiers papiers sur les données du JWST provenaient de Naidu, l'astronome du MIT, et de ses collègues, dont l'algorithme de recherche a signalé une galaxie qui semblait inexplicablement brillante et inexplicablement distante. Naidu l'a surnommé GLASS-z13, indiquant sa distance apparente à un décalage vers le rouge de 13 - plus loin que tout ce qui a été vu auparavant. (Le décalage vers le rouge de la galaxie a ensuite été révisé à 12.4, et il a été renommé GLASS-z12.) D'autres astronomes travaillant sur les différents ensembles d'observations JWST rapportaient des valeurs de décalage vers le rouge de 11 à 20, y compris une galaxie appelée CEERS-1749 ou CR2-z17-1, dont la lumière semble l'avoir quittée il y a 13.7 milliards d'années, juste 220 millions d'années après le Big Bang - à peine un clin d'œil après le début du temps cosmique.

Ces détections putatives suggèrent que l'histoire soignée connue sous le nom de ΛCDM pourrait être incomplète. D'une manière ou d'une autre, les galaxies sont devenues énormes tout de suite. « Dans l'univers primitif, on ne s'attend pas à voir des galaxies massives. Ils n'ont pas eu le temps de former autant d'étoiles et ils n'ont pas fusionné », a déclaré Chris Lovell, astrophysicien à l'Université de Portsmouth en Angleterre. En effet, dans selon une étude publié en novembre, les chercheurs ont analysé des simulations informatiques d'univers régis par le modèle ΛCDM et ont découvert que les premières galaxies brillantes de JWST étaient d'un ordre de grandeur plus lourdes que celles qui se sont formées simultanément dans les simulations.

Certains astronomes et médias ont affirmé que JWST brisait la cosmologie, mais tout le monde n'était pas convaincu. Un problème est que les prédictions de ΛCDM ne sont pas toujours claires. Alors que la matière noire et l'énergie noire sont simples, la matière visible a des interactions et des comportements complexes, et personne ne sait exactement ce qui s'est passé dans les premières années après le Big Bang ; ces premiers temps frénétiques doivent être approximés dans des simulations informatiques. L'autre problème est qu'il est difficile de dire exactement à quelle distance se trouvent les galaxies.

Dans les mois qui ont suivi les premiers articles, l'âge de certaines des prétendues galaxies à décalage vers le rouge élevé a été reconsidéré. Certains étaient rétrogradé aux stades ultérieurs de l'évolution cosmique en raison des étalonnages de télescope mis à jour. CEERS-1749 se trouve dans une région du ciel contenant un amas de galaxies dont la lumière a été émise il y a 12.4 milliards d'années, et Naidu dit qu'il est possible que la galaxie fasse en fait partie de cet amas - un intrus plus proche qui pourrait être rempli de poussière qui fait il semble plus décalé vers le rouge qu'il ne l'est. Selon Naidu, CEERS-1749 est bizarre, peu importe à quelle distance il se trouve. "Ce serait un nouveau type de galaxie que nous ne connaissions pas : une minuscule galaxie de très faible masse qui a en quelque sorte accumulé beaucoup de poussière, ce à quoi nous ne nous attendons pas traditionnellement", a-t-il déclaré. "Il pourrait bien y avoir ces nouveaux types d'objets qui confondent nos recherches sur les galaxies très lointaines."

La pause Lyman

Tout le monde savait que les estimations de distance les plus définitives nécessiteraient la capacité la plus puissante de JWST.

JWST observe non seulement la lumière des étoiles par photométrie ou mesure de la luminosité, mais également par spectroscopie ou mesure des longueurs d'onde de la lumière. Si une observation photométrique est comme une image d'un visage dans une foule, alors une observation spectroscopique est comme un test ADN qui peut révéler l'histoire familiale d'un individu. Naidu et d'autres qui ont trouvé de grandes galaxies anciennes ont mesuré le décalage vers le rouge à l'aide de mesures dérivées de la luminosité - en regardant essentiellement les visages dans la foule à l'aide d'un très bon appareil photo. Cette méthode est loin d'être hermétique. (Lors d'une réunion de janvier de l'American Astronomical Society, les astronomes ont plaisanté en disant que peut-être la moitié des premières galaxies observées avec la photométrie seule s'avéreraient être mesurées avec précision.)

Mais début décembre, les cosmologistes annoncé qu'ils avaient combiné les deux méthodes pour quatre galaxies. L'équipe JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) a recherché des galaxies dont le spectre de lumière infrarouge se coupe brusquement à une longueur d'onde critique connue sous le nom de rupture de Lyman. Cette rupture se produit parce que l'hydrogène flottant dans l'espace entre les galaxies absorbe la lumière. En raison de l'expansion continue de l'univers - le pain aux raisins toujours croissant - la lumière des galaxies lointaines est décalée, de sorte que la longueur d'onde de cette rupture brusque se décale également. Lorsque la lumière d'une galaxie semble tomber à des longueurs d'onde plus longues, elle est plus éloignée. JADES a identifié des spectres avec des décalages vers le rouge allant jusqu'à 13.2, ce qui signifie que la lumière de la galaxie a été émise il y a 13.4 milliards d'années.

Dès que les données ont été téléchargées, les chercheurs de JADES ont commencé à « paniquer » dans un groupe Slack partagé, selon Kévin Hainline, astronome à l'Université d'Arizona. "C'était comme, 'Oh mon Dieu, oh mon Dieu, nous l'avons fait, nous l'avons fait, nous l'avons fait !'" a-t-il dit. "Ces spectres ne sont que le début de ce que je pense être une science qui changera l'astronomie."

Brant Robertson, un astronome JADES de l'Université de Californie à Santa Cruz, affirme que les découvertes montrent que l'univers primitif a changé rapidement au cours de son premier milliard d'années, les galaxies évoluant 10 fois plus vite qu'elles ne le font aujourd'hui. C'est comme « un colibri est une petite créature », dit-il, « mais son cœur bat si vite qu'il vit une vie différente de celle des autres créatures. Le rythme cardiaque de ces galaxies se produit sur une échelle de temps beaucoup plus rapide que quelque chose de la taille de la Voie lactée.

Mais leur cœur battait-il trop vite pour que ΛCDM s'explique ?

Possibilités théoriques

Alors que les astronomes et le public restaient bouche bée devant les images du JWST, les chercheurs ont commencé à travailler dans les coulisses pour déterminer si les galaxies clignotant dans notre champ de vision renversaient vraiment le ΛCDM ou aidaient simplement à déterminer les nombres que nous devrions intégrer à ses équations.

Un nombre important mais mal compris concerne les masses des premières galaxies. Les cosmologistes essaient de déterminer leurs masses afin de dire si elles correspondent à la chronologie de croissance des galaxies prévue par ΛCDM.

La masse d'une galaxie est dérivée de sa luminosité. Mais Megan Donahue, un astrophysicien de la Michigan State University, affirme qu'au mieux, la relation entre la masse et la luminosité est une supposition éclairée, basée sur des hypothèses tirées d'étoiles connues et de galaxies bien étudiées.

Une hypothèse clé est que les étoiles se forment toujours dans une certaine plage statistique de masses, appelée fonction de masse initiale (IMF). Ce paramètre IMF est crucial pour glaner la masse d'une galaxie à partir des mesures de sa luminosité, car les étoiles chaudes, bleues et lourdes produisent plus de lumière, tandis que la majorité de la masse d'une galaxie est généralement enfermée dans de petites étoiles froides, rouges.

Mais il est possible que le FMI ait été différent dans l'univers primitif. Si tel est le cas, les premières galaxies de JWST pourraient ne pas être aussi lourdes que leur luminosité le suggère ; ils peuvent être brillants mais légers. Cette possibilité cause des maux de tête, car changer cette entrée de base dans le modèle ΛCDM pourrait vous donner presque toutes les réponses que vous souhaitez. Lovell dit que certains astronomes considèrent que jouer avec l'IMF "le domaine des méchants".

"Si nous ne comprenons pas la fonction de masse initiale, alors comprendre les galaxies à décalage vers le rouge élevé est vraiment un défi", a déclaré Wendy Freeman, astrophysicien à l'Université de Chicago. Son équipe travaille sur des observations et des simulations informatiques qui aideront à cerner le FMI dans différents environnements.

Au cours de l'automne, de nombreux experts en sont venus à soupçonner que des ajustements à l'IMF et à d'autres facteurs pourraient suffire à faire correspondre les galaxies très anciennes éclairant les instruments de JWST avec ΛCDM. "Je pense qu'il est en fait plus probable que nous puissions intégrer ces observations dans le paradigme standard", a déclaré Rachel Somerville, astrophysicien au Flatiron Institute (qui, comme Quanta Magazine, est financé par la Fondation Simons). Dans ce cas, dit-elle, « ce que nous apprenons est : à quelle vitesse les halos [de matière noire] peuvent-ils collecter le gaz ? À quelle vitesse pouvons-nous refroidir le gaz, le rendre dense et créer des étoiles ? Peut-être que cela se produit plus rapidement dans l'univers primitif ; peut-être que le gaz est plus dense ; peut-être que d'une manière ou d'une autre, il coule plus vite. Je pense que nous sommes encore en train d'apprendre ces processus.

Somerville étudie également la possibilité que les trous noirs interfèrent avec le bébé cosmos. Les astronomes ont remarqué quelques trous noirs supermassifs brillants à un décalage vers le rouge de 6 ou 7, environ un milliard d'années après le Big Bang. Il est difficile de concevoir comment, à ce moment-là, des étoiles auraient pu se former, mourir puis s'effondrer en trous noirs qui ont mangé tout ce qui les entoure et ont commencé à cracher des radiations.

Mais s'il y a des trous noirs à l'intérieur des premières galaxies putatives, cela pourrait expliquer pourquoi les galaxies semblent si brillantes, même si elles ne sont pas vraiment très massives, a déclaré Somerville.

La confirmation que ΛCDM peut accueillir au moins certaines des premières galaxies de JWST est arrivée la veille de Noël. Des astronomes dirigés par Benjamin Keller à l'université de Memphis vérifié une poignée de simulations majeures de supercalculateurs d'univers ΛCDM et ont découvert que les simulations pouvaient produire des galaxies aussi lourdes que les quatre qui ont été étudiées par spectroscopie par l'équipe JADES. (Ces quatre sont, notamment, plus petites et plus sombres que d'autres prétendues premières galaxies telles que GLASS-z12.) Dans l'analyse de l'équipe, toutes les simulations ont donné des galaxies de la taille des découvertes de JADES à un décalage vers le rouge de 10. à un redshift de 13, le même que ce que JADES a vu, et deux autres pourraient construire les galaxies à un redshift encore plus élevé. Aucune des galaxies JADES n'était en tension avec le paradigme ΛCDM actuel, ont rapporté Keller et ses collègues sur le serveur de préimpression arxiv.org le 24 décembre.

Bien qu'elles n'aient pas le poids nécessaire pour casser le modèle cosmologique dominant, les galaxies JADES ont d'autres caractéristiques particulières. Hainline a déclaré que leurs étoiles ne semblaient pas polluées par les métaux d'étoiles précédemment explosées. Cela pourrait signifier qu'il s'agit d'étoiles de la population III - la première génération d'étoiles avidement recherchée à s'enflammer - et qu'elles pourraient contribuer à la réionisation de l'univers. Si cela est vrai, alors JWST a déjà regardé la période mystérieuse où l'univers a été mis sur son cours actuel.

Preuve extraordinaire

 La confirmation spectroscopique d'autres galaxies précoces pourrait intervenir ce printemps, selon la manière dont le comité d'attribution du temps du JWST répartit les choses. Une campagne d'observation appelée WDEEP recherchera spécifiquement des galaxies datant de moins de 300 millions d'années après le Big Bang. Au fur et à mesure que les chercheurs confirment les distances de plus de galaxies et s'améliorent dans l'estimation de leurs masses, ils aideront à régler le sort de ΛCDM.

De nombreuses autres observations sont déjà en cours qui pourraient changer la donne pour ΛCDM. Freedman, qui étudie la fonction de masse initiale, s'est levée une nuit à 1 heure du matin en train de télécharger des données JWST sur des étoiles variables qu'elle utilise comme "bougies standard" pour mesurer les distances et les âges. Ces mesures pourraient aider à éliminer un autre problème potentiel avec ΛCDM, connu sous le nom de tension de Hubble. Le problème est que l'univers semble actuellement s'étendre plus rapidement que ne le prédit ΛCDM pour un univers vieux de 13.8 milliards d'années. Les cosmologistes ont de nombreuses explications possibles. Peut-être, spéculent certains cosmologistes, la densité de l'énergie noire qui accélère l'expansion de l'univers n'est pas constante, comme dans ΛCDM, mais change avec le temps. Changer l'histoire de l'expansion de l'univers pourrait non seulement résoudre la tension de Hubble, mais aussi réviser les calculs de l'âge de l'univers à un décalage vers le rouge donné. JWST pourrait voir une galaxie primitive telle qu'elle est apparue, disons, 500 millions d'années après le Big Bang plutôt que 300 millions. Alors même les premières galaxies putatives les plus lourdes dans les miroirs de JWST auraient eu tout le temps de fusionner, dit Somerville.

Les astronomes manquent de superlatifs lorsqu'ils parlent des premiers résultats du JWST sur les galaxies. Ils parsèment leurs conversations de rires, de jurons et d'exclamations, alors même qu'ils se rappellent l'adage de Carl Sagan, même galvaudé, selon lequel les affirmations extraordinaires nécessitent des preuves extraordinaires. Ils ont hâte de mettre la main sur plus d'images et de spectres, ce qui les aidera à affiner ou à peaufiner leurs modèles. "Ce sont les meilleurs problèmes", a déclaré Boylan-Kolchin, "car peu importe ce que vous obtenez, la réponse est intéressante."