Astrophysiciens et cosmologistes ont été surpris par les premières images du télescope James-Webb montrant des galaxies déjà de grande taille tôt dans l'histoire du cosmos observable, ce qui peut questionner l'existence de la matière noire. Ces observations obtenues grâce à des effets de lentilles gravitationnelles avaient permis de débusquer des galaxies dont on pensait que certaines étaient observées plus tôt que toutes celles étudiées avec le télescope Hubble. Deux publications confortent aujourd'hui ces affirmations et en particulier dans le cas d'une galaxie qui serait la plus lointaine jamais observée, environ 350 millions d'années seulement après le Big Bang.

 

 

 

Dans le précédent article ci-dessous, en compagnie notamment de Johan Richard, astronomeastronome au Centre de recherche astrophysiqueastrophysique de Lyon, nous avions fait le point sur les premières observations de galaxiesgalaxies lointaines par le télescope spatial James-Webbtélescope spatial James-Webb. Des records de distance avaient été annoncés mais les publications à ce sujet n'étaient alors souvent sur arXiv que des « pré-prints », comme on dit, ce qui impliquait qu'il fallait être prudent car un premier processus de relecture pour détecter d'éventuelles erreurs n'avait pas encore été accompli.

Enfin, certains chercheurs mettaient en garde sur le fait que les estimations des distances et, de fait, celles aussi des âges des galaxies observées par rapport au Big BangBig Bang, ne reposaient pas sur des mesures directes de décalages spectraux vers le rouge au moyen de la spectroscopie, donc sur la méthode de référence pour ce genre d'évaluation.

Nous avions expliqué que le James-Webb était bien équipé comme HubbleHubble de spectrographesspectrographes, mais que les décalages spectraux lointains qu'ils pourront mesurer dans un avenir proche ont d'abord été évalués par deux méthodes indirectes.

Il y avait celle donnant un décalage vers le rougedécalage vers le rouge photométrique (photometric redshift, en anglais) et une apparentée qui repose sur ce que l'on appelle la cassure de Lyman (Lyman Break, en anglais).

Les candidats les plus solidement établis à ce jour au titre de galaxies primitives observées par le James-Webb montrés avec leurs décalages spectraux vers le rouge estimés, Glass-z10 et Glass-z12. © Nasa, ESA, CSA, T. Treu (Ucla)
Les candidats les plus solidement établis à ce jour au titre de galaxies primitives observées par le James-Webb montrés avec leurs décalages spectraux vers le rouge estimés, Glass-z10 et Glass-z12. © Nasa, ESA, CSA, T. Treu (Ucla)

Des galaxies découvertes avec une lentille gravitationnelle

À cet égard, rien n'a changé avec l'annonce de la publication officielle aujourd'hui d'articles, que l'on peut trouver sur arXivfaisant donc état de l'existence d'au moins deux galaxies. On peut tout de même considérer cette annonce comme plus solide, et parmi les plus lointaines observées à ce jour, il y a finalement la dénommée Glass-z12 que l'on verrait telle qu'elle était seulement environ 350 millions d'années après le Big Bang. Glass-z10, avec son décalage spectral de z=10, serait vue environ 400 millions d'années après le Big Bang.

Les deux galaxies sont particulièrement brillantes et une modélisationmodélisation laisse penser qu'elles contenaient déjà chacune environ un milliard d'étoilesétoiles de masses solaires, ce qui implique une croissance rapide et précoce des grandes galaxies.

Glass-z10 et Glass-z12, des galaxies particulièrement brillantes. © Science: Nasa, ESA, CSA, Tommaso Treu (UCLA); Image Processing: Zolt G. Levay (STScI)
Glass-z10 et Glass-z12, des galaxies particulièrement brillantes. © Science: Nasa, ESA, CSA, Tommaso Treu (UCLA); Image Processing: Zolt G. Levay (STScI)

Le James-Webb n'a pu débusquer ces galaxies qu'en utilisant l'effet de lentille gravitationnelle produit par l'amas de galaxiesamas de galaxies Abell 2744, également connu sous le nom d'amas de Pandore, et qui semble avoir résulté de la fusion de quatre amas galactiques plus petits, ce qui expliquerait plusieurs de ses propriétés inhabituelles. Riche en matière noirematière noire, Abell 2744 donne donc lieu à un effet de lentille gravitationnelle que les astronomes peuvent utiliser depuis un certain temps pour former par effet de loupe des images de galaxies lointaines dans le visible et dans l'infrarougeinfrarouge proche.

Dans le cadre de la campagne d'observation Glass (Grism Lens-Amplified Survey from Space), les astrophysiciensastrophysiciens avaient déjà utilisé l'amas de galaxies Abell 2744 avec Hubble de cette façon. Tout naturellement, les membres de Glass ont mis leur expérience avec Hubble au service de la communauté scientifique utilisant le James-Webb et ils ont donc fourni des images exploitables par leurs collègues.


Comme le montre cette vidéo, Hubble permettait déjà de faire des observations avec effet de lentille gravitationnelle pour l’amas de galaxies Abell 2744. © Nasa, ESA, and J. Lotz, M. Mountain, A. Koekemoer, and the HFF Team (STScI)

Des observations défiant notre compréhension de la formation des galaxies

Un communiqué de la NasaNasa permet aux chercheurs qui ont participé à la découverte des deux galaxies de faire des commentaires à propos des deux articles que l'on doit, l'un à une équipe dirigée par Marco Castellano de l'Institut national d'astrophysique de Rome, en Italie, et l'autre à une équipe avec à sa tête Rohan Naidu du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics et du Massachusetts Institute of Technology de Cambridge aux États-Unis.

 « Tout ce que nous voyons est nouveau. Webb nous montre qu'il existe un universunivers très riche au-delà de ce que nous imaginions. Une fois de plus, l'Univers nous a surpris. Ces premières galaxies sont très inhabituelles à bien des égards », explique ainsi Tommaso Treu de l'université de Californie à Los Angeles.

« Ces observations vous font exploser la tête. C'est un tout nouveau chapitre de l'astronomie. C'est comme une fouille archéologique, soudain vous trouvez une ville perdue ou quelque chose que vous ne connaissiez pas. C'est juste stupéfiant », renchérit Paola Santini, l'un des membres de l'équipe de Castellano. Quant à Pascal Oesch, de l'université de Genève en Suisse, membre lui de l'équipe de Naidu, il ajoute : « alors que les distances de ces premières sources doivent encore être confirmées par spectroscopie, leurs luminositésluminosités extrêmes sont un véritable casse-tête, défiant notre compréhension de la formation des galaxies ».

Erica Nelson de l'université du Colorado à Boulder, membre de l'équipe de Naidu, enfonce encore le clou lorsqu'elle relate que son équipe « a été frappée de pouvoir mesurer les formes de ces premières galaxies ; leurs disques calmes et ordonnés remettent en question notre compréhension de la façon dont les premières galaxies se sont formées dans l'univers primitif surpeuplé et chaotique ».

Les observations suggèrent que les galaxies auraient pu commencer à se former peut-être seulement 100 millions d'années après le Big Bang et les chercheurs se demandent même s'ils n'ont pas sous les yeuxyeux des groupes d'étoiles de population IIIpopulation III, les premières et atypiques étoiles que l'on pense être nées au début de l'histoire du cosmoscosmos observable.

On devrait en savoir beaucoup plus dans les années à venir avec le James-Webb.


Le télescope James-Webb verrait bien des galaxies 250 millions d'années après le Big Bang

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco, publié le 28 septembre 2022

Astrophysiciens et cosmologistes ont été surpris par les premières images du télescopetélescope James-Webb montrant des galaxies déjà de grande taille tôt dans l'histoire du cosmos observable, ce qui peut questionner l'existence de la matière noire. Ces observations obtenues grâce à des effets de lentilles gravitationnelleslentilles gravitationnelles sont-elles fiables et si oui, jusqu'à quelle époque du passé le JWST peut-il remonter et en montrant quels astresastres ? Voici quelques éléments de réponse et de réflexion avec notamment des explications de Johan Richard, astronome au Centre de recherche astrophysique de Lyon.

Il y a deux mois, les premières publications concernant les observations du télescope James-Webb, en quête des galaxies primordiales moins de 500 millions d'années après la fin du Big Bang, ont commencé à être déposées sur ArXiv. Il s'agissait d'articles à disposition de la communauté scientifique mais n'ayant pas encore passé les premiers filtres de la critique par les pairs, astrophysiciens et cosmologistes, des équipes à l'origine de ces articles.

La prudence s'imposait. Mais il fallait bien voir aussi que ces équipes se préparaient parfois depuis des années et comptaient des chercheurs expérimentés ayant déjà fait leurs armes avec des observations du télescope Hubble portant sur les plus lointaines galaxies accessibles par les instruments de la noosphère à un moment de son développement.

Des galaxies primitives qui réfutent l'existence de la matière noire  ?

Comme Futura l'expliquait dans un précédent article, les annonces de découvertes de galaxies déjà de grande taille à des décalages spectraux vers le rouge, que les chercheurs évaluent avec un paramètre noté « z », semblaient surprenantes pour certains. Elles questionnaient potentiellement le modèle cosmologique standard avec la matière noire. En effet, il suggère des ordres de grandeurordres de grandeur pour le nombre de galaxies d'une taille donnée et à une période donnée de l'histoire du cosmos observable, en fonction des théories de la naissance et de la croissance des galaxies. Rappelons déjà, comme on le verra plus en détail par la suite, qu'un décalage spectral est d'autant plus grand que la lumièrelumière provient d'une galaxie lointaine observée telle qu'elle était dans un passé d'autant plus ancien également.

Certains ont plutôt tendance à penser, bien que ce ne soit pas encore démontré, que le modèle cosmologique standardmodèle cosmologique standard appelé modèle ΛCDM n'est pas favorable à l'observation d'un grand nombre de galaxies ayant déjà atteint une grande taille à des valeurs de z plus élevées que 7-11, comme l'expliquait à ce moment-là le célèbre astrophysicien et cosmologiste états-unien Stacy McGaugh.

Celui-ci est bien connu pour ses travaux basés sur la théorie Mondthéorie Mond - acronyme de Modified Newtonian Dynamics en anglais -, qui étudie donc les galaxies, la matière noire... et des théories de la gravitégravité modifiée en tant qu'alternative à l'existence de la matière noire. On lui doit avec l'astrophysicien Benoît Famaey un article de fond sur Mond pour Living Reviews in Relativity.

Stacy McGaugh en avait alors profité pour rappeler que voir de nombreuses galaxies déjà massives tôt est au contraire une prédiction naturelle connue depuis un moment de la théorie Mond, ce qui ouvrait la porteporte à une réfutation de l’existence de la matière noire. Cela conduirait donc à une révolution en physiquephysique et en cosmologiecosmologie.


Une présentation de l'effet de lentille gravitationnelle. © CEA, Animea – vidéo extraite du documentaire « L’Odyssée de la Lumière »

Or, comme l'expliquait  aussi Futura dans un autre précédent article, dans le cadre de la campagne d'observation Glass (Grism Lens-Amplified Survey from Space), des astrophysiciens ayant mis à profit le télescope James-Webb avaient annoncé avoir découvert des grandes galaxies à des z respectivement de z=11 et z=13, en s'appuyant également sur un effet de lentille gravitationnelle généré par l'amas de galaxies Abell 2744.

Il s'agissait donc de galaxies imagées alors que l'Univers observable n'avait respectivement qu'environ 400 et 300 millions d'années.

Ces chercheurs n'ont pas tardé à être rejoints par une autre équipe qui, elle, a annoncé qu'elle avait un candidat ayant un z = 16,7 montrant donc une galaxie alors que le cosmos observable n'avait que 235 millions d'années depuis la fin du Big Bang, CEERS-93316. Une autre équipe ayant aussi utilisé l'effet de lentille gravitationnelle, mais avec l'amas de galaxies SMACS 0723-23, pense même avoir des candidats de l'ordre de z = 20.

Ces trois exemples accompagnent d'autres publications. Ensemble, elles livrent plusieurs galaxies dont les décalages spectraux sont potentiellement avec des z > 11.

Mais, attention, si des valeurs de z sont bien mises en avant par toutes les équipes, il ne s'agit pas en fait de mesures directes de décalages spectraux pouvant aussi être faites avec les instruments du JWST !

Le télescope est bien équipé comme Hubble de spectrographes, mais les décalages spectraux lointains qu'ils pourront mesurer dans un avenir proche ont d'abord été évalués par deux méthodes indirectes.

Il y a celle donnant un décalage vers le rouge photométrique (photometric redshift, en anglais) et une apparentée qui repose sur ce que l'on appelle la cassure de Lyman (Lyman Break, en anglais).

Le saviez-vous ?

La cassure de Lyman est illustrée sur ces images et schémas.

« Un photon ultraviolet émis avec une longueur d'onde inférieure à 912 Angströms (continuum de Lyman) sera souvent complètement absorbé par son passage à travers une masse d'hydrogène gazeux à la fois dans une galaxie et le long de la ligne de visée vers elle.

Essentiellement, il n'y aura pas de lumière qui nous parviendra d'une galaxie avec des longueurs d'onde plus courtes. Nous voyons donc une « cassure » dans le spectre.

Pour les galaxies à décalage vers le rouge élevé, cette cassure se retrouve dans le visible, voire l'infrarouge.

Ainsi, en regardant les couleurs des galaxies dans divers filtres, nous devrions voir les galaxies formant des étoiles avec un z élevé comme des astres qui "disparaissent" dans les filtres les plus "bleus" ». © Chris Mihos


Les astronomes font des observations avec des filtres adaptés à certaines longueurs d'onde indiquées ici en angström. U désigne une bande spectrale dans l'ultraviolet, V est dans le visible. © Richard  Ellis

 

Ce sont des méthodes déjà utilisées au cours des années 1980 et 1990. Elles ont une certaine fiabilité mais elle n'est pas de 100 %. Divers biais existent aussi dans les observations des galaxies à hauts décalages spectraux, des biais qui peuvent être également instrumentaux et en rapport avec le télescope James-Webb lui-même.

De fait, tout récemment, dans leurs blogs, Stacy McGaugh et un autre cosmologiste de renom, Peter Coles (auteur avec son collègue Francesco Lucchin d'un remarquable traité de cosmologie), ont fait état d'un article déposé sur arXiv suggérant effectivement l'existence d'une erreur de calibration dans les instruments du JWST permettant de faire du décalage vers le rouge photométrique. Certaines des mesures réalisées avec la lentille gravitationnelle de SMACS 0723-23 ont été revues à la baisse en conséquence.

Ainsi une mesure avec un z d'environ 12  devenait un z d'environ 0,1 !

Pour y voir plus clair sur ces importantes questions, Futura a donc demandé quelques précisions à Johan Richard, astronome au CRAL (Observatoire de Lyon) dont le domaine de recherche porte justement sur les effets de lentille gravitationnelle et l'utilisation des amas de galaxies massifs comme télescopes gravitationnels pour rechercher les galaxies les plus distantes et plus généralement sur la formation des galaxies et la détection des premières générations d'étoiles et galaxies comme l'explique sa page web.

Le chercheur est tout particulièrement bien placé pour répondre à nos questions car, avec ses collègues, il a justement publié récemment un article faisant état de la détection avec le JWST de deux galaxies à des décalages spectraux de l'ordre de z = 16 via l'amas Smacs 0723-23.

Mais pour mieux comprendre ses réponses à nos questions, voici quelques rappels.

Le modèle cosmologique relativiste standard

C’est Georges Lemaître qui est le premier à comprendre, au début des années 1930, que le décalage spectral vers le rouge des galaxies observé par Hubble n’est pas dû à un effet Doppler mais à l’étirement des longueurs d’onde des émissions lumineuses du fait de l’expansion de l’espace en cosmologie relativiste. Plus il s'est écoulé du temps entre le moment où un grain de lumière a été émis et le moment où il a été détecté, plus l'effet de dilatationdilatation aura été important.

On mesure cette dilatation et donc la duréedurée du voyage par une quantité notée « z » et qui, en gros, donne le facteur de dilatation ; ainsi, un z = 10 correspond à peu près à une longueur d'onde 10 fois plus grande en arrivant sur Terre qu'au moment de l'émission de la lumière. Une raie spectrale ou une bande d'un spectrespectre continue, comme celui de la courbe du corps noircorps noir de l'émission d'une étoile, ou une courbe similaire pour la lumière émise par une galaxie, se trouvant dans le visible sera donc observée dans l'infrarouge aujourd'hui par un instrument de la noosphère.

Environ 380.000 années après le Big Bang et en quelques milliers d'années, la température du plasma de l'Univers observable chute suffisamment pour que les premiers atomesatomes se forment, essentiellement des isotopesisotopes de l'hydrogènehydrogène et de l'héliumhélium (par convention en astrophysique tous les autres noyaux sont des métauxmétaux et on parle de la métallicitémétallicité d'une étoile comme une mesure de son contenu en « métaux ») avec aucun noyau plus lourd que le lithiumlithium, donc pas de ferfer, de carbonecarbone, de siliciumsilicium ou d'oxygèneoxygène qui seront le produit de la nucléosynthèse d'étoiles dans les centaines de millions d'années et de milliards d'années qui vont suivre.


Depuis 13,8 milliards d’années, l’Univers n’a cessé d’évoluer. Contrairement à ce que nous disent nos yeux lorsque l’on contemple le ciel, ce qui le compose est loin d’être statique. Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution. Il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui. © CEA Recherche

Pendant ces premières centaines de millions d'années, la matière baryonique s'effondrant sous l'effet de la force gravitationnelle de la matière noire ne peut le faire que pour une masse supérieur à une masse donnée dite de Jeans, du nom de l'astrophysicien britannique qui l'a définie le premier, et qu'avec des valeurs particulières de la température et de la pressionpression. Ce ne sont pas celles que l'on rencontre d'ordinaire dans les nuagesnuages de matière dans les galaxies de nos jours.

De plus, toujours de nos jours - c'est-à-dire pour faire simple depuis quelques milliards d'années -, l'effondrementeffondrement d'une masse de matière pouvant donner des étoiles nécessite pour se poursuivre que la chaleurchaleur produite par la compression du gazgaz s'effondrant soit évacuée sous forme de rayonnement, sans quoi l'effondrement est stoppé. C'est ce que permettent de faire 1 % d'un nuage constitué de poussières silicatées et carbonées. Or ces poussières n'existaient pas juste après la fameuse époque de la recombinaisonrecombinaison il y a 380.000 années, qui est remplacée par l'époque dite des âges sombresâges sombres pendant laquelle aucune étoile n'a encore allumé son carburant thermonucléaire, ou si peu, que le cosmos observable de l'époque est essentiellement illuminé par le rayonnement fossilerayonnement fossile émis par la recombinaison.

La première génération d'étoiles, également connues sous le nom d'étoiles de la population III, était composée presque entièrement d'hydrogène et d'hélium avec des traces de lithium. Les générations ultérieures d'étoiles, y compris le Soleil, contiennent des éléments plus lourds comme l'oxygène, le carbone et le fer, qui se sont formés dans les noyaux des étoiles précédentes. © STScI
La première génération d'étoiles, également connues sous le nom d'étoiles de la population III, était composée presque entièrement d'hydrogène et d'hélium avec des traces de lithium. Les générations ultérieures d'étoiles, y compris le Soleil, contiennent des éléments plus lourds comme l'oxygène, le carbone et le fer, qui se sont formés dans les noyaux des étoiles précédentes. © STScI

Les investigations théoriques nous disent donc que les premières étoiles, celles dites de population III - car nées avant les autres dites de population II, puis I pour une jeune étoile comme le SoleilSoleil (rappelons qu'en astronomie, les étoiles de population I sont des étoiles riches en métaux dont l'âge varie d'environ 0 à 10 milliards d'années) -,  ne peuvent s'effondrer qu'avec un mécanisme de refroidissement via des moléculesmolécules d'hydrogène H2 et le font dans des conditions de température et de densité différentes.

On en a déduit que les étoiles de population III devaient être massives, probablement entre 100 et 1.000 masses solaires, et avec des spectres bien caractéristiques différents des types d'étoiles qui prendront naissance dans les nuages enrichis en métaux qu'elles produiront en explosant en supernovaesupernovae.

La ré-ionisation, la Terra Incognita

On peut observer à des milliards d'années-lumièreannées-lumière des étoiles dans l'ultravioletultraviolet et au-delà, ce qui implique que le gaz entre les galaxies ne peut pas être constitué essentiellement d'hydrogène atomique ou moléculaire neutre car, très rapidement, ces gaz absorbent ces rayonnements. Dit autrement, si un astre visé est suffisamment lointain, une grande partie de la composante ultraviolette de son spectre devrait manquer car cette lumière aura traversé un milieu d'hydrogène neutre qui l'aura absorbée.

Une chronologie de l'Univers observable avec en haut la valeur du décalage spectral vers le rouge donné par z et en bas les âges correspondant à ce décalage dans le passé en remontant vers le Big Bang. © Harikane et <em>al.</em>, Nasa, EST and P. Oesch/Yale
Une chronologie de l'Univers observable avec en haut la valeur du décalage spectral vers le rouge donné par z et en bas les âges correspondant à ce décalage dans le passé en remontant vers le Big Bang. © Harikane et al., Nasa, EST and P. Oesch/Yale

Il a fallu en conclure qu'à un moment le rayonnement d'astres dans le jeune cosmos observable a ré-ionisé en grande partie l'hydrogène et l'hélium laissés par la nucléosynthèse primordiale pendant le Big Bang.

C’est la période dite de la ré-ionisation qui fait passer des âges sombres à l'aubeaube cosmique et dont on ne sait pas encore très bien quand elle a commencé exactement, ni quand elle s'est terminée.

Grossièrement, car il y a des variantes, on s'accorde tout de même souvent pour dire qu'elle s'est produite entre les décalages spectraux des époques datées avec des z entre 25 et 6. C'est-à-dire entre 130 millions d'années à 950 millions d'années après le Big Bang.

On pense aussi qu'elle est le produit essentiellement du rayonnement ultraviolet des étoiles de population III mais le formidable rayonnement, notamment X, de trous noirstrous noirs massifs sous forme de quasarsquasars accrétant de la matière peut avoir joué un rôle également.

L'un des objectifs du James-Webb est justement de faire la lumière sur ce qui a pu se passer pendant la ré-ionisation avec les premières étoiles et les premières galaxies.

Nous voici mieux armés, après ces longs prolégomènes, pour mieux comprendre le contexte et les explications de Johan Richard.

Johan Richard, astronome au Centre de recherche astrophysique de Lyon. © Johan Richard
Johan Richard, astronome au Centre de recherche astrophysique de Lyon. © Johan Richard

Futura : Dans votre thèse portant sur les recherches concernant les propriétés des premières étoiles et galaxies, vous rappelez que c'est l'astrophysicien américano-suisse Fritz Zwicky qui a été le premier à comprendre que l'on pouvait se servir de la déviation des rayons lumineux causée par le champ de gravitationgravitation d'un astre en relativité généralerelativité générale pour utiliser des amas de galaxies comme de « télescopes gravitationnels » pour observer des galaxies lointaines, donc dans un passé reculé. L'existence de cet effet de lentille grossissante a bien été observée à partir des années 1980 mais on sait qu'il en existe plusieurs variantes. Laquelle est utilisée avec le James-Webb pour explorer l'époque de la ré-ionisation avec des amas ?

Johan Richard : En ce qui concerne le « lensing », selon sa dénomination anglaise, on parle en général d'effet de lentille gravitationnelle fort ou faible. Dans le premier cas, on observe une démultiplication des images d'un astre et des déformations d'images donnant des arcs, voire des anneaux lumineux. Avec un lensing faible, on a seulement des images de galaxies légèrement déformées. Mathématiquement, on est dans un régime dit non linéaire dans le premier cas et linéaire dans le second, selon le jargon standard.

Les deux types de lentilles sont utilisables pour chercher à observer des galaxies lointaines et en fait, en ce qui concerne, par exemple, les récentes observations avec le James-Webb utilisant l'amas de galaxies Smacs 0723, on se trouve dans un régime qui est intermédiaire. Même si des effets de lentilles fortes sont possibles, ils restent très rares.

Futura : Jusqu'où, dans le passé du cosmos observable, pourrait-on remonter avec le JWST en utilisant le « lensing » ?

Johan Richard : Avec le télescope Hubble, la limite était d'environ 500 millions d'années après le Big Bang ; avec le James-Webb, la limite probable devrait être d'environ 150 millions d'années. Cela correspondrait à un décalage spectral de l'ordre de z = 20. Ce sera de toute façon difficile à atteindre, cela va dépendre notamment de la luminosité intrinsèque des objets à un z donné - s'ils sont trop peu lumineux, le JWST ne les verra pas. Il est cependant certain que des objets avec un z = 16, observés alors que l'Univers n'était âgé que d'environ 250 millions d'années, sont déjà à notre portée.

Les étoiles massives de la population III auraient pu atteindre en surface des températures de l'ordre de 100.000 kelvins, soit plus de 90.000 degrés de plus que le Soleil. Plus un objet est chaud, plus il émet de rayonnement électromagnétique (lumière) et plus l'énergie du rayonnement est élevée. Les étoiles de la population III auraient été beaucoup plus brillantes que le Soleil, émettant principalement de l'ultraviolet à haute énergie plutôt que de la lumière visible comme le montre la courbe de l'intensité de la lumière émise en fonction de la longueur d'onde – en tiret à gauche du schéma ci-dessus. Depuis que les premières étoiles se sont formées il y a plus de 13,4 milliards d'années, leur lumière s'est « étirée »  avec l'expansion de l'espace, devenant plus sombre et plus rouge avec le temps en raison de la dilatation des longueurs d'onde la composant. Le télescope spatial James-Webb est conçu pour détecter la lumière très faible dans la partie rouge et infrarouge du spectre électromagnétique. © STScI
Les étoiles massives de la population III auraient pu atteindre en surface des températures de l'ordre de 100.000 kelvins, soit plus de 90.000 degrés de plus que le Soleil. Plus un objet est chaud, plus il émet de rayonnement électromagnétique (lumière) et plus l'énergie du rayonnement est élevée. Les étoiles de la population III auraient été beaucoup plus brillantes que le Soleil, émettant principalement de l'ultraviolet à haute énergie plutôt que de la lumière visible comme le montre la courbe de l'intensité de la lumière émise en fonction de la longueur d'onde – en tiret à gauche du schéma ci-dessus. Depuis que les premières étoiles se sont formées il y a plus de 13,4 milliards d'années, leur lumière s'est « étirée »  avec l'expansion de l'espace, devenant plus sombre et plus rouge avec le temps en raison de la dilatation des longueurs d'onde la composant. Le télescope spatial James-Webb est conçu pour détecter la lumière très faible dans la partie rouge et infrarouge du spectre électromagnétique. © STScI

Futura : Pourra-t-on vraiment voir les premières étoiles pendant la ré-ionisation ? L'effet de lentille gravitationnelle typique donne un facteur de grossissement allant de 10 à 20 fois, mais il est souvent dit que ce n'est pas suffisant pour rendre une étoile de type III visible pour le James-Webb. Il est toutefois dit aussi que des facteurs pouvant atteindre 10.000, bien que rares, sont possibles avec certains amas, révélant finalement ces étoiles dans les premières galaxies.

Johan Richard : Ce qui est sûr, c'est qu'elles ont une signature spectrale prédite par la théorie qui les distingue des étoiles que nous connaissons et qui est très caractéristique. Toutefois, on ne devrait pas voir les plus anciennes au tout début de la ré-ionisation car elles étaient encore entourées de beaucoup d'hydrogène neutre, bloquant leur rayonnement qui se faisait essentiellement dans l'ultraviolet. Enfin, si on parle de visibilité pure ce ne sera pas possible de voir une étoile de population III toute seule, mais plutôt de voir un groupe d'étoiles de population III. Les cas extrêmes de lensing avec un facteur 10.000 sont d'autant plus rares que l'amplification est forte donc à moins d'avoir un grand coup de chance je n'y crois que très peu. Je suis beaucoup plus confiant sur la détection potentielle d'un petit amas d'étoiles de population III.

Futura : Que penser des débats quant à la fiabilité des estimations des décalages vers le rouge photométrique avec des Z > 11 déjà obtenus par plusieurs équipes, dont la vôtre ? Certains considèrent qu'ils n'auraient pas dû être annoncés tant que des mesures de décalage spectroscopique classique, qui sont aussi faisables avec le JWST, n'avaient pas confirmé les estimations photométriques des candidats découverts.

Johan Richard : En fait, parmi les galaxies qui semblent primitives avec un z = 16, plus de la moitié ont certainement ce décalage vers le rouge et cela devrait être confirmé par des mesures spectroscopiques portant sur des raies spectrales qui sont en cours avec l'instrument NIRSpec (Near Infrared Spectrograph pour « spectrographe dans le proche infrarouge ») du JWST, mais aussi grâce à l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma).

Il faut noter également que, pour des galaxies auparavant à la limite des observations de Hubble et maintenant au-delà, NIRSpecNIRSpec montre déjà des raies qui ne sont pas limitées à l'hydrogène, comme ce fut le cas avec Hubble. Avec l'aide de Smacs 0723, on voit ainsi déjà la signature de l'oxygène dans ce qui semble être des galaxies avec des z indiquant qu'on les observe il a plus de 12 milliards d'années.

Il n'y avait que deux bandes spectrales pour observer la forme de la Distribution spectrale en énergieénergie ou DSE (en anglais, SED) de la lumière émise par des galaxies lointaines avec les instruments de Hubble. Le JWST en possède plusieurs de plus, de sorte que l'on peut caractériser plus complètement leur DSE et détecter, mesurer avec plus de précision également, une cassure de Lyman. La DSE et la cassure de Lyman se trouvant déplacées vers l'infrarouge du fait de l'expansion, on peut donc en tirer, sans disposer de mesures spectroscopiques des raies spectrales, des estimations crédibles des z.

Mais cela ne permet pas toujours de ne pas être trompé par des galaxies proches riches en poussières d'une part, et d'autre part, par des étoiles rouges « individuelles » provenant simplement de notre Galaxie. En effet, ce sont des exemples de « contaminants » pour la détection de galaxies distantes.

Sur les milliers de galaxies lointaines derrière l'amas de galaxies SMACS 0723, le James-Webb en a observé 48 individuellement – toutes en même temps – dans un champ qui a approximativement la taille d'un grain de sable tenu à bout de bras. Quelques spectres de ces galaxies à hauts décalages spectraux z ont ainsi été révélés par l'instrument NIRSpec <em>(Near InfraRed Spectrograph)</em> du JWST. Les raies spectrales de l'hydrogène et de l'oxygène sont bien visibles. © Nasa, ESA, CSA, and STScI
Sur les milliers de galaxies lointaines derrière l'amas de galaxies SMACS 0723, le James-Webb en a observé 48 individuellement – toutes en même temps – dans un champ qui a approximativement la taille d'un grain de sable tenu à bout de bras. Quelques spectres de ces galaxies à hauts décalages spectraux z ont ainsi été révélés par l'instrument NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph) du JWST. Les raies spectrales de l'hydrogène et de l'oxygène sont bien visibles. © Nasa, ESA, CSA, and STScI