Dès que le président Biden a dévoilé la première image du télescope spatial James Webb (JWST) le 11 juillet, Pascale Massimo et son équipe sont passés à l'action.
En coordination sur Slack, Pascale, astrophysicienne à l'Université de Californie à Berkeley, et 14 collaborateurs se sont répartis les tâches. L'image montrait des milliers de galaxies dans une partie du ciel de la taille d'une piqûre d'épingle, certaines agrandies lorsque leur lumière se courbait autour d'un amas central de galaxies. L'équipe s'est mise au travail pour scruter l'image, dans l'espoir de publier le tout premier article scientifique du JWST. « Nous avons travaillé sans arrêt », a déclaré Pascale. "C'était comme une salle d'évasion."
Trois jours plus tard, quelques minutes avant la date limite quotidienne sur arxiv.org, le serveur sur lequel les scientifiques peuvent télécharger les premières versions des articles, l'équipe ont soumis leurs recherches. Ils ont raté la première place avec 13 secondes d'écart, « ce qui était assez drôle », a déclaré Pascale.
La vainqueurs, Guillaume Mahler à l'Université de Durham au Royaume-Uni et ses collègues, ont analysé cette même première image JWST. "C'était juste un pur plaisir de pouvoir prendre ces données incroyables et de les publier", a déclaré Mahler. "Si nous pouvons le faire rapidement, pourquoi devrions-nous attendre?"
La "concurrence saine", comme l'appelle Mahler, met en évidence l'énorme volume de science qui provient déjà du JWST, quelques jours après que les scientifiques ont commencé à recevoir des données du méga-télescope à détection infrarouge tant attendu.
L'aube des temps
L'une des capacités les plus vantées de JWST est le pouvoir de remonter dans le temps jusqu'à l'univers primitif et de voir certaines des premières galaxies et étoiles. Déjà, le télescope – qui a été lancé le jour de Noël 2021 et se trouve maintenant à 1.5 million de kilomètres de la Terre – a repéré la galaxie la plus éloignée et la plus ancienne connue.
Deux équipes ont trouvé la galaxie lorsqu'elles ont analysé séparément les observations du JWST pour l'enquête GLASS, l'une des plus de 200 programmes scientifiques prévu pour la première année du télescope dans l'espace. Les deux équipes, une led by Rohan Naïdu au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics dans le Massachusetts et L'autre by Marco Castellano à l'Observatoire astronomique de Rome, a identifié deux galaxies particulièrement éloignées dans les données : une si éloignée que JWST détecte la lumière qu'elle a émise 400 millions d'années après le Big Bang (un lien avec la plus ancienne galaxie jamais vue par le télescope spatial Hubble), et l'autre, baptisé GLASS-z13, vu tel qu'il est apparu 300 millions d'années après le Big Bang. "Ce serait la galaxie la plus éloignée jamais découverte", a déclaré Castellano.
Les deux galaxies semblent extrêmement petites, peut-être 100 fois plus petites que la Voie lactée, mais elles montrent des taux surprenants de formation d'étoiles et contiennent déjà 1 milliard de fois la masse de notre soleil - plus que prévu pour des galaxies aussi jeunes. L'une des jeunes galaxies montre même des preuves d'une structure en forme de disque. D'autres études seront menées pour décomposer leur lumière afin de glaner leurs caractéristiques.
Un autre programme de l'univers primitif a également révélé "des galaxies incroyablement éloignées", a déclaré Rébecca Larson, astronome à l'Université du Texas, Austin et membre de l'enquête Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS). Quelques semaines seulement après le début de l'enquête, l'équipe a mis en sac une poignée de galaxies des 500 premiers millions d'années de l'univers, bien que Larson et ses collègues n'aient pas encore publié leurs découvertes exactes. "C'est mieux que ce que j'imaginais et ce n'est que le début", a-t-elle déclaré.
Des galaxies plus anciennes se cachent dans l'image de l'amas de galaxies présentée par le président Biden et étudiée par Pascale et Mahler. Appelé SMACS0723, l'amas est si lourd qu'il dévie la lumière d'objets plus éloignés, les mettant en vue. Pascale et Mahler ont trouvé jusqu'à 16 galaxies éloignées qui ont été agrandies dans l'image ; leur âge exact n'est pas encore connu.
Le télescope a examiné de plus près une galaxie lointaine dans l'image, une tache de lumière qui date de 700 millions d'années après le Big Bang. Avec son spectrographe, JWST a détecté des éléments lourds, notamment de l'oxygène, dans la galaxie. Maintenant, les scientifiques espèrent que le télescope trouvera une absence d'éléments lourds dans des galaxies encore plus anciennes - preuve que ces galaxies ne contiennent que Étoiles de population III, les premières étoiles supposées de l'univers, supposées avoir été monstrueusement énormes et entièrement constituées d'hydrogène et d'hélium. (Ce n'est que lorsque ces étoiles ont explosé qu'elles ont forgé des éléments plus lourds tels que l'oxygène et les ont rejetés dans le cosmos.)
"Nous recherchons des galaxies où nous ne voyons pas d'éléments lourds", a déclaré Andy Bunker, astrophysicien à l'Université d'Oxford. "Cela pourrait être une preuve irréfutable pour la première génération d'étoiles formées d'hydrogène et d'hélium primordiaux. Théoriquement, ils devraient exister. Cela dépend s'ils sont suffisamment brillants.
Structure galactique
Pour les scientifiques qui cherchent à comprendre la structure des galaxies et comment les étoiles se forment en leur sein, JWST a déjà fourni des données percutantes.
Un programme d'observation, mené par Janice Lee au NOIRLab de la National Science Foundation en Arizona, recherche de jeunes sites de formation d'étoiles dans les galaxies. Au nom de l'équipe de Lee, JWST a observé une galaxie à 24 millions d'années-lumière appelée NGC 7496, dont les jeunes régions de formation d'étoiles étaient jusqu'à présent plongées dans l'obscurité ; Les instruments de Hubble n'ont pas pu pénétrer l'épaisse poussière et le gaz qui entourent ces régions. JWST, cependant, peut voir la lumière infrarouge qui rebondit sur la poussière, permettant au télescope de sonder de près les moments où les étoiles se sont allumées et la fusion nucléaire s'est enflammée dans leurs noyaux. "La poussière s'allume en fait", a déclaré Lee.
Ce qui est le plus remarquable, a-t-elle dit, c'est que NGC 7496 est une galaxie normale, "pas une galaxie enfant-affiche". Pourtant, sous l'œil attentif de JWST, il prend soudainement vie et révèle des canaux où les étoiles se forment. "C'est tout simplement phénoménal", a-t-elle déclaré.
Pendant ce temps, John Barentine, astronome de la société de conservation du ciel sombre Dark Sky Consulting en Arizona, a fait une découverte plus fortuite dans l'une des premières images de JWST. L'image du télescope de la nébuleuse de l'anneau sud, à 2,500 XNUMX années-lumière de la Terre, a montré une clarté remarquable. Sur le côté, une galaxie intrigante vue par la tranche (un point de vue unique pour étudier le renflement central de la galaxie), précédemment identifiée à tort comme faisant partie de la nébuleuse elle-même, est apparue.
"Nous avons cette machine extrêmement sensible qui va révéler par hasard des choses que nous ne savions même pas que nous recherchions", a déclaré Barentine. "Dans presque toutes les images prises par Webb, cela vaut la peine de fouiller en arrière-plan."
Un œil sur les étoiles et les planètes
Des cibles plus petites sont également dans le collimateur de JWST, y compris les planètes de notre propre système solaire. Jupiter est apparu de façon magnifique dans le cadre du premier lot d'images, capturées dans une exposition d'une durée de seulement 75 secondes.
Les astronomes savent que la haute atmosphère de Jupiter est plus chaude de centaines de degrés que la basse atmosphère, mais ils ne savent pas pourquoi. En détectant la lumière infrarouge, JWST a pu voir briller la haute atmosphère chauffée ; il apparaît comme un anneau rouge autour de la planète. "Nous avons cette couche à quelques centaines de kilomètres au-dessus des ponts nuageux, et elle brille parce qu'elle est chaude", a déclaré Henrik Melin, planétologue à l'Université de Leicester. « Nous n'avons jamais vu cela auparavant à l'échelle mondiale. C'est quelque chose d'extraordinaire à voir.
Le programme de Melin prévoit d'utiliser JWST dans les semaines à venir pour étudier la force motrice de ce réchauffement atmosphérique.
Dans l'image de Jupiter de JWST se cache la lune volcanique Io interagissant avec l'aurore de Jupiter, créant une petite bosse dans l'aurore basse dans le ciel de la planète. L'image révèle "des matériaux provenant d'Io coulant le long des lignes de champ magnétique", a déclaré Melin. L'effet a déjà été vu, mais il a été facilement repéré par JWST avec à peine un coup d'œil sur la planète.
JWST sonde également des planètes dans d'autres systèmes stellaires. Déjà, le télescope a jeté un coup d'œil au célèbre système TRAPPIST-1, une étoile naine rouge avec sept mondes de la taille de la Terre (certains potentiellement habitables), bien que les données soient toujours en cours d'analyse. Les premières observations ont été publiées d'une planète moins hospitalière, un "Jupiter chaud" appelé WASP-96 b, dans une orbite serrée de 3.4 jours autour de son étoile.
JWST a trouvé de la vapeur d'eau dans l'atmosphère de la planète, confirmant la présence d'eau signalé quelques jours plus tôt by Chima McGruder du Harvard-Smithsonian Center et ses collègues, qui ont utilisé un télescope au sol. Mais JWST peut aller plus loin ; en observant le rapport carbone/oxygène de WASP-96 b, il pourrait être en mesure de résoudre un mystère confondant sur les Jupiters chauds : comment ils atteignent des orbites aussi proches autour de leurs étoiles. Plus d'oxygène suggérerait que la géante gazeuse s'est initialement formée loin de l'étoile où l'eau pourrait se condenser, tandis qu'un taux de carbone plus élevé suggérerait qu'elle a toujours été proche.
Pendant ce temps, JWST a peut-être repéré une lumière temporaire dans le ciel – un événement de courte durée connu sous le nom de transitoire – pour lequel il n'était pas initialement conçu. L'astronome Mike Engesser et ses collègues du Space Telescope Science Institute de Baltimore, Maryland (le centre des opérations du JWST), ont remarqué un objet brillant non apparent dans les images Hubble de la même région. Ils pensent qu'il s'agit d'une supernova, ou d'une étoile qui explose, à environ 3 milliards d'années-lumière - preuve que le télescope peut détecter ces événements.
JWST devrait également être capable de trouver des supernovas beaucoup plus éloignées, ce qui lui donnera un autre moyen de servir de sonde de l'univers primitif. Il peut également trouver des étoiles déchirées par les trous noirs supermassifs qui résident au centre des galaxies, ce qu'aucun télescope précédent n'a vu. "Pour la première fois, nous allons pouvoir scruter ces régions très profondes et sombres", a déclaré Renard Ori, un astronome du Space Telescope Science Institute qui dirige l'équipe qui étudie les transitoires.
Les transitoires, comme d'autres phénomènes astronomiques, sont appelés à être redéfinis. Après des décennies de planification et de construction, JWST a pris son envol. La question est maintenant de suivre le rythme du barrage constant de la science provenant d'une machine si complexe mais irréprochable qu'il est presque impossible de croire qu'elle a été construite par des cerveaux humains. "Ça marche, et c'est fou", a déclaré Larson.
