Bien sûr ! Cette tache orange floue sur la photo, qui semble ne rien nous dire, est en réalité une galaxie. Son nom est Maisie, et c’est la galaxie la plus ancienne jamais observée par un être humain. C’est l’un des premiers objets capturés à l’été 2022 par notre nouveau télescope spatial puissant: le James Webb Space Telescope. Cette simple tache représente l’aube d’une nouvelle ère astronomique, et la raison en est son âge.
Les scientifiques ont officiellement confirmé l’âge exact de l’univers au moment où nous avons capturé cette image. Maisie existe depuis que l’univers n’avait que 390 millions d’années, soit il y a 13,8 milliards d’années. Cela en fait l’une des quatre galaxies les plus anciennes jamais observées par l’œil humain.
“L’image de cette galaxie photographie un moment très lointain de l’univers. Nous ne pouvons pas l’observer sans le James Webb”, explique Steven Finkelstein, astronome de l’Université du Texas à Austin et chercheur principal du projet CEERS (Centre for Exoplanets and Extragalactic Research) (ref). “C’était la période cosmique où nous ne savions pas comment les galaxies se formaient ni à quoi elles ressemblaient. Aujourd’hui, avec le James Webb, nous sommes allés les chercher. Quand les premières données sont arrivées l’été dernier, la galaxie Maisie a été l’une des premières à être identifiées”.
Comment le nom a-t-il été choisi ?
Les autres galaxies repérées par le James Webb portent des surnoms plutôt austères et formels, tels que CEERS 1019, CEERS 2782 et CEERS 746. Le nom Maisie se distingue clairement parmi eux. Cette lointaine merveille céleste porte en réalité le nom de la fille de Finkelstein. “Nous avons découvert la galaxie dans les données du James Webb lors du neuvième anniversaire de ma fille. Son nom est Maisie. Pour cette coïncidence, j’ai commencé à l’appeler ainsi”, explique Finkelstein.
“Quand est venu le moment d’écrire l’article (ref.), nous discutions de la manière de l’appeler. Les autres chercheurs ont suggéré d’inclure simplement le nom Maisie et de voir ce qui se passait. Nous avons réussi à l’obtenir et nous l’avons publié sous ce nom”. Alors que Finkelstein ne peut pas se tromper sur l’âge de sa fille, calculer l’âge des galaxies dans l’univers primitif est nettement plus complexe.
Cela signifie que pour déterminer que la galaxie Maisie est la plus ancienne jamais observée, une enquête minutieuse a été nécessaire. Cela peut ne pas sembler beaucoup, mais cette image floue est l’une des galaxies les plus importantes de l’histoire astronomique récente.
La technique du décalage vers le rouge
Pour savoir à quelle distance se trouve une galaxie, il faut connaître le temps que sa lumière a mis pour nous parvenir. En d’autres termes, il s’agit de déterminer à quelle époque l’univers se trouvait pendant que nous l’observons. Les astronomes utilisent une technique appelée “décalage vers le rouge” (redshift). Différentes longueurs d’onde de la lumière correspondent à différentes couleurs dans le spectre visible. La lumière de grande longueur d’onde et de basse fréquence est rouge, tandis que la lumière de courte longueur d’onde et de haute fréquence est bleue.
Pendant que la lumière voyage vers nous depuis une source lointaine, l’expansion de l’univers fait en sorte que la source de cette lumière s’éloigne également de nous ! Ce phénomène fait que les longueurs d’onde de la lumière que nous observons s’étirent, ce qui les fait perdre de l’énergie et changer de fréquence.
Les astronomes appellent cela un décalage vers le rouge car la lumière est essentiellement déplacée vers la partie rouge du spectre électromagnétique. Dans certains cas, la lumière observée peut même tomber dans l’infrarouge et devenir invisible à l’œil humain. Plus le voyage est long, plus le décalage vers le rouge est extrême. Dans le cas des premières galaxies comme la galaxie Maisie, la lumière a voyagé pendant plus de 10 milliards d’années. Par conséquent, sa lumière a été déplacée vers la partie infrarouge. C’est la raison pour laquelle nous avons conçu un télescope spatial comme le James Webb, un instrument extraordinaire pour traquer les objets de l’univers primitif dans la région infrarouge.
L’importance de James Webb
“Nous ne pouvions vraiment pas le voir avant le James Webb”, explique Finkelstein. “Le télescope spatial Hubble n’était pas assez grand, et surtout, il ne couvrait pas les longueurs d’onde infrarouges nécessaires pour observer une galaxie aussi lointaine et fortement décalée vers le rouge”.
Les premières estimations du décalage vers le rouge, c’est-à-dire de l’âge de la galaxie Maisie, étaient basées sur la photométrie. Cette technique consiste à analyser la luminosité dans les images. Ces calculs suggéraient que la galaxie avait un décalage vers le rouge de 11,8. Mais Finkelstein et l’équipe CEERS voulaient une estimation beaucoup plus précise.
Pour ce faire, ils ont effectué des observations avec le spectromètre en infrarouge proche (NIRSpec) du James Webb. Cela a permis à Finkelstein et à ses collègues d’observer les raies spectrales, dictées par les absorptions et les émissions d’éléments chimiques à des longueurs d’onde spécifiques. À partir de ces données, ils ont pu déterminer le véritable décalage vers le rouge de la galaxie Maisie, qui est de 11,4. Cela confirme que Maisie est la galaxie la plus ancienne jamais observée.
À quoi ressemblait l’univers il y a 13 milliards d’années ?
Finkelstein explique que la galaxie Maisie est très différente des galaxies de l’univers actuel. “L’univers était assez actif lorsque la galaxie Maisie existait. Sa masse est concentrée dans un tout petit volume”, déclare Finkelstein. “De plus, les galaxies étaient beaucoup plus proches les unes des autres et fusionnaient beaucoup plus fréquemment. Comme l’univers n’avait que environ 400 millions d’années, toutes les étoiles autour sont jeunes. Il y avait donc beaucoup plus d’étoiles brillantes et bleues à l’époque que ce que nous voyons aujourd’hui dans les galaxies”.
Maisie, la galaxie la plus ancienne jamais observée, se distingue des “modernes” car, pendant la période où nous l’observons, il semble que de jeunes étoiles bleues se forment rapidement. Nous avons réussi à la photographier à ce stade que les astronomes appellent “starburst”. Donc, si ses jeunes étoiles sont brillantes et bleues, cela signifie que cette galaxie fortement décalée vers le rouge est en réalité beaucoup plus “bleue” que ce que les astronomes attendaient. “La galaxie Maisie connaît un taux de formation d’étoiles beaucoup plus élevé. C’est vraiment comme une boule compacte d’étoiles bleues”.
Pour ces raisons, Maisie est pauvre en éléments lourds et possède une composition primordiale: hydrogène et hélium. De plus, elle est également beaucoup plus lumineuse que ce à quoi les astronomes s’attendaient, une caractéristique que l’on a également trouvée avec d’autres galaxies primitives observées par le James Webb.
Les futures analyses
“La galaxie Maisie nous a donné la première indication que les premières galaxies sont plus lumineuses que ce que nous pensions, ce qui les rend plus faciles à trouver”, explique Finkelstein. “Notre idée de la formation des étoiles dans la première époque de l’univers pourrait nécessiter une révision. Il est possible que les galaxies formaient des étoiles de manière plus efficace que nous le pensions”.
Finkelstein continuera maintenant à examiner la galaxie Maisie avec l’instrument Mid-Infrared (MIRI) du James Webb, en approfondissant le spectre de la lumière afin de déterminer sa richesse en éléments lourds et de comprendre si elle héberge des grains de poussière interstellaire.
“Maise nous offre certainement un bon exemple de ce qu’est une galaxie dans l’univers primitif. Et comme elle est assez lumineuse, nous pouvons l’étudier facilement et mesurer de nombreuses choses comme sa masse stellaire, sa forme et la quantité d’éléments lourds”, conclut Finkelstein. “Au final, elle n’est que la première d’une multitude de galaxies que nous pouvons utiliser pour découvrir l’univers primitif”.